Координационные полимеры заставили воду поглотить кислород

Химики из США разработали несколько микропористых материалов, способных образовывать устойчивые коллоидные растворы в воде и в таком виде поглощать углекислый газ и кислород. Для этого ученые использовали соединения с гидрофильной внешней поверхностью и гидрофобной поверхностью пор. Это позволило повысить способность воды растворять газы в десятки раз.

В отличие от воды, твердые микропористые материалы — например, цеолиты и металл-органические каркасы — поглощают газы очень хорошо, часто в сотни раз лучше, чем вода. Но если просто растворить одно из таких веществ в воде, лучше поглощать газы она не станет. Дело в том, что молекулы воды сравнимы по размерам с молекулами газов, поэтому легко проникают в поры таких материалов.

Химики из Гарвардского университета нашли решение этой проблемы. Для этого они использовали известный цеолит (silicalite-1), состоящий только из атомов кремния и кислорода. Ученые предположили, что большое количество гидроксильных групп на поверхности нанокристаллов цеолита сделают его гидрофильнее. А поверхность пор, не содержащая гидроксильных групп, будет гидрофобной и не станет заполняться молекулами воды.

Чтобы подтвердить свою гипотезу, ученые приготовили коллоидный раствор этого вещества в воде и измерили его плотность. Газопоглощающая способность раствора оказалась в 26 раз лучше для кислорода и в 12 – для углакислого газа, чем у чистой воды.

На этом химики не остановились и стали исследовать еще один материал — металл-органический каркас ZIF-67, по структуре похожий на цеолиты. Растворы этого материала в воде неустойчивы, и, зная это, ученые решили его модифицировать. Они смешали ZIF-67 с раствором бычьего сывороточного альбумина, который адсорбировался на поверхности нанокристаллов каркаса и сделал ее более гидрофильной.

Полученный коллоидный раствор модифицированного материала оказался стабильным. А по сравнению с сухим ZIF-67, способность раствора поглощать кислород снизилась всего на 20%. А когда химики повысили соотношение концентрации альбумина к концентрации каркаса, поглощающая способность вышла на уровень сухого ZIF-67.

Далее ученые попробовали еще одну стратегию — взяли каркас ZIF-8 и ввели его в реакцию с эпоксидом на основе полиэтилена. В результате получили еще один материал с гидрофильной поверхностью и гидрофобными порами — его способность поглощать кислород не упала по сравнению с сухим ZIF-8.

Так химикам удалось разработать сразу три подхода к синтезу материалов для поглощения газов в водной среде. И все они сработали успешно — стабильные растворы каркасов поглощали газы почти так же, как сухие материалы, и легко выделяли их обратно при низком давлении.