Российские химики вместе с коллегами из Китая и Италии создали три материала, которые позволяют улавливать из воздуха углекислый газ и канцерогены. Новые соединения оказались гибкими и высокоэффективными, а также способными к многократному растворению и перекристаллизации. О своей работе поддержанные грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда исследователи рассказали в Journal of the American Chemical Society.

Поглотители углекислого газа и летучих ароматических веществ используются во многих областях промышленности, включая пищевую и нефтехимическую. Там они помогают очищать воздух в помещениях от ядовитых соединений и понижать количество углекислого газа в атмосфере. Используемые сегодня материалы способны значительно увеличиваться в размерах благодаря множеству водородных связей между их молекулами.

В более ранних работах ученые синтезировали десять различных вариаций фильтров, которые, однако, нельзя применять в промышленности из-за их дороговизны или недостаточной адсорбционной способности при работе в больших помещениях. Основная проблема этих устройств связана не с их химическим составом, а с геометрией — молекулы-поглотители имеют неудобную неплоскую треугольную конформацию, похожую на искаженные шестиугольники. Она подходит для образования поры, но адсорбционные свойства материала при этом оказываются недостаточными.

«Мы смогли синтезировать три вариации фильтра из одной и той же 4,4',4''-(1,3,5-триазин-2,4,6-триил)-трибензойной кислоты (H3TATB), молекула которой имеет форму треугольника. Мы старались кристаллизовать это соединение из изопропилового и этилового спиртов, а также воды. Именно в этих веществах мы увидели наибольший потенциал для улавливания углекислого газа и летучих ароматических соединений. Оказалось, что новые сорбенты обладают уникальной волнистой структурой. Мы смогли стабилизировать сборку микроскопических частиц в условиях повышенных температур и давления. Также в результате применения разработанной нами методики получилось повысить количество межмолекулярных взаимодействий и устойчивость материалов. Все благодаря увеличению их молекулярной плотности», — говорит один из авторов работы,заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета Евгений Александров.

В результате синтеза, длившегося неделю при температуре 60–90 °C, ученые получили три материала, которые состоят из одного и того же строительного блока H3TATB и отличаются по строению. Образцы, полученные из этилового и изопропилового спиртов, имели открытые поры разных размеров, а у полученного из смеси этилового спирта и воды оказались только закрытые поры. Вещества с таким составом создавались и раньше, но исследователи выяснили, что при нагреве материала можно получить новый, более устойчивый и эффективный фильтр.

Главное преимущество разработки российских исследователей — ее доступность и способность к полному возобновлению адсорбционных свойств. Новые материалы можно растворить и кристаллизировать заново бесконечное количество раз, обновляя работоспособность. Анализ материала показал, что по сложности плетения молекулярных «сеток» и адсорбционным параметрам изобретенные учеными поглотители являются лучшими в мире. Несмотря на то что фильтр не имеет рекордной емкости, его высокая стабильность в воде и других растворителях, способность к поглощению большого количества паров бензола и регенерации перевешивают этот небольшой недостаток. В будущем исследование ученых поможет найти наиболее рациональный материал для очистки воздуха от углекислого газа и канцерогенных ароматических веществ.