Компьютерное моделирование помогло обнаружить новые материалы для улавливания и переработки углекислого газа
Российские химики при помощи компьютерного моделирования разработали новые материалы для улавливания из воздуха углекислого газа и его преобразования в СО, который используется при производстве машинного топлива, смазок и спиртов. Предложенные вещества основаны на порфиринах — чувствительных к свету молекулах, способных ускорять реакцию превращения углекислого газа, а стабильность им придают атомы переходных металлов. Созданные материалы очень пористые, устойчивые к кислоте и нагреванию, а также выдерживают многократное растворение и перекристаллизацию. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Одна из серьезнейших современных проблем — глобальное потепление, которое вызвано, в том числе, повышением концентрации углекислого газа в атмосфере. Основную долю выбросов CO2 дают металлургия, производство строительных материалов, транспорт, химическая промышленность. Полностью избавиться от роли углерода в этих отраслях пока не получится, но можно снизить его содержание в выбросах. Один из перспективных способов — улавливание углекислого газа и его повторное использование без привлечения ископаемых источников (уголь, нефть, природный газ). Например, из «пойманного» из атмосферы углекислого газа можно получить монооксид углерода (СО), который применяется в производстве спиртов, цветных металлов, машинного топлива, масел и смазок. Чтобы это направление было эффективным и выгодным, необходимо создавать особые материалы, способные поглощать углекислый газ и катализировать реакцию его превращения.
В своей новой работе химики Самарского технического университета (Самара) вместе с коллегами из Китая применили несколько компьютерных методов и создали платформу, способную рассчитывать свойства будущих материалов, на основе которых можно будет сделать эффективные поглотители и преобразователи углекислого газа.
Ученые опробовали свою систему в моделировании пористых водородно-связанных органических каркасов (ВОК). Такие материалы обладают очень высокой пористостью и поглощающей способностью, при этом их характеристики можно варьировать, если использовать разные органические компоненты. Кроме того, они способны многократно растворяться и кристаллизоваться, «очищаясь» таким образом от ненужных соединений. В качестве «строительного блока» для ВОК авторы использовали порфирины. Эти циклические молекулы широко распространены в природе и играют важную роль во многих биологических процессах. Они способны служить фотокатализаторами, то есть ускорять реакции под действием света.
С использованием топологического подхода (основан на анализе строения молекулы) ученым удалось спрогнозировать процесс самосборки нового пористого ВОК на основе тетракарбоксилатного порфирина. Материал показал невысокую стабильность, однако это ограничение удалось преодолеть, введя в порфириновый центр переходные металлы. Таким образом авторы смоделировали, а затем и синтезировали целую серию металлопорфириновых ВОК с большой площадью поверхности пор и превосходной стабильностью. Они выдерживают замачивание в кипящей воде, концентрированной соляной кислоте (HCl) и сухой нагрев до 270°C. Эта серия ВОК эффективно ускоряет превращение углекислого газа в CO при комнатной температуре.
«Таким образом, благодаря современным методам дизайна кристаллических материалов сделан еще один важный шаг в решении насущной экологической проблемы — глобального потепления. Она напрямую связана с необходимостью снижения концентрации углекислого газа в атмосфере, и мы надеемся, что наша платформа и наш материал внесут большой вклад в общее дело», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Александров, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов, доцент кафедры общей и неорганической химии Самарского государственного технического университета.
