Российские исследователи из ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разрабатывают новые материалы для поглощения углекислого газа. Они состоят из силикагеля и ионной жидкости на основе соли аминокислоты глицина — глицината. Исследователи подобрали такие условия синтеза, при которых материал быстро поглощает CO₂ и обеспечивает стопроцентную конверсию.
Ионные жидкости — это органические соли с низкой температурой плавления: они становятся жидкими уже при температуре около 100°C и ниже. Благодаря этим свойствам они используются в самых разных областях — от биологии до ракетостроения — в качестве растворителей, электролитов или катализаторов. В Институте катализа СО РАН их изучают для сорбции, то есть поглощения CO₂.
«Мы применяем ионные жидкости с аминокислотным анионом, аминогруппа в составе которого — активный центр сорбции CO2, и она напрямую взаимодействует с углекислым газом. Но эти жидкости имеют очень высокую вязкость, из-за чего скорость сорбции в массивном состоянии низкая. Чтобы ускорить процесс, нужно увеличить дисперсность активного компонента — для этого его наносят на носители с развитой пористой структурой, в нашем случае, на силикагели. Благодаря этому процесс заметно ускоряется», — поясняет младший научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН Андрей Шешковас.
Реакция поглощения CO₂ проходит в две стадии. Сначала углекислый газ соединяется с аминогруппой, образуя карбаминовую кислоту. Затем происходит обмен протона с другим анионом ионной жидкости, в результате чего образуется карбамат. Эти соединения безопасны и встречаются в природе.
Ученые также исследовали влияние на скорость процесса так называемой микровязкости — сопротивления движения молекул внутри материала. Для этого они применили метод дейтериевого ядерного магнитного резонанса, который позволяет напрямую наблюдать поведение молекул в порах носителя. Оказалось, что нанесение ионных жидкостей на силикагель снижает энергетический барьер для движения молекул и уменьшает микровязкость, что дополнительно ускоряет поглощение CO₂.
По данным исследователей, скорость работы одного и того же материала с пористым носителем и без него может отличаться в тысячу раз. При этом регенерация новых материалов требует примерно в полтора раза меньше энергии, чем у традиционных водно-аминовых растворов, широко используемых в промышленности.
В дальнейшем команда планирует менять состав и свойства этих материалов, чтобы еще больше повысить их способность поглощать углекислый газ.
