Новые ионные жидкости для улавливания CO₂
Борьба с изменением климата — один из главных вызовов XXI века. Несмотря на развитие возобновляемой энергетики, ископаемое топливо остается основой мировой экономики, а значит, проблема улавливания углекислого газа — основного парникового газа — сохраняет актуальность. Существующие технологии, такие как абсорбция с использованием аминов, энергозатратны, вызывают коррозию оборудования и быстро теряют свою эффективность. Поиск более устойчивых, стабильных и экологичных сорбентов — одна из приоритетных задач современной химии материалов.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале The Journal of Physical Chemistry B (Q1), международная группа ученых, включая специалистов из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, предложила новый взгляд на использование ионных жидкостей для улавливания CO₂. Ионные жидкости — это соли, жидкие при низких температурах, которые практически не испаряются, выдерживают нагрев и позволяют химикам «настраивать» их структуру под конкретную задачу.
Авторы сосредоточились на сравнении двух типов таких жидкостей: с одним катионом и с двумя катионами в молекуле. Кроме того, часть образцов содержала железо в своем составе. Ключевая идея заключалась в том, чтобы выяснить, как увеличение числа активных центров и присутствие металла влияют на способность материала поглощать углекислый газ. Работа включала в себя как синтез и всестороннюю экспериментальную проверку веществ, так и углубленное компьютерное моделирование.
С помощью математических расчетов исследователи определили наиболее устойчивую форму молекул и предсказали их спектральные характеристики. Эти предсказания блестяще подтвердились в лаборатории — теоретические данные совпали с экспериментальными. Более того, расчеты показали, какая пространственная структура молекул обеспечивает наименьшую вязкость, а это, как известно, является главным препятствием для быстрого поглощения газов жидкостями.
Экспериментальная часть подтвердила эти выводы. Испытания в условиях, моделирующих дымовые газы электростанций (температура около 40°C и умеренное давление), показали, что жидкости с двумя катионами значительно превосходят обычные по сорбционной емкости. Лидером стал образец, который поглотил почти в три раза больше CO₂, чем лучший из традиционных аналогов.
Авторы демонстрируют, что высокая эффективность достигается за счет пониженной вязкости и увеличенного количества мест для связывания молекул газа. Более того, материал показал высокую избирательность к углекислому газу в присутствии азота (которого в дымовых газах большинство) и сохранил свои свойства в течение пяти циклов использования без потери эффективности — важное качество для промышленного применения.
