Специалисты из Университета Тиба в Японии разработали новый тип углеродных материалов, способных значительно удешевить процесс извлечения углекислого газа из промышленных выбросов. Группа исследователей под руководством доцентов Ясухиро Ямады и Томонори Обы представила результаты работы в научном журнале «Carbon». Созданные ими соединения, получившие название «вициазиты», позволяют высвобождать накопленный газ при температуре ниже 60 градусов Цельсия, что делает технологию экономически эффективной.
Традиционные промышленные методы улавливания углерода основаны на использовании водных растворов аминов. Главным недостатком такого подхода остается высокая энергоемкость: для регенерации сорбента и высвобождения углекислого газа жидкость необходимо нагревать до температуры свыше 100 градусов. Это требует значительных энергетических затрат и ограничивает масштабное внедрение систем очистки на предприятиях.
В качестве альтернативы ученые рассматривают твердые углеродные материалы. Они дешевле в производстве и обладают большой площадью поверхности для адсорбции газа. Однако эффективность таких сорбентов напрямую зависит от расположения функциональных групп азота в их структуре. До недавнего времени азотные группы распределялись в углеродном каркасе хаотично, что мешало точно контролировать процессы захвата и последующего выделения молекул газа.
Японские химики предложили метод синтеза, при котором азотные группы располагаются в строго определенных соседних позициях. В ходе экспериментов были созданы три модификации вициазитов с разной конфигурацией атомов азота. Наиболее перспективным оказался вариант с соседними первичными аминогруппами – чистота синтеза в этом случае составила 76 процентов. Другие образцы с пиррольным азотом показали избирательность на уровне 82 процентов.
Лабораторные тесты подтвердили, что специфическое расположение атомов азота критически влияет на свойства материала. Образцы с парными аминогруппами эффективно удерживали углекислый газ и отдавали его при минимальном нагреве. Температурный порог в 60 градусов позволяет использовать для очистки сорбента вторичное тепло промышленных предприятий, которое обычно считается побочным продуктом. Это существенно снижает операционные расходы на эксплуатацию установок по улавливанию выбросов.
Авторы исследования отмечают, что разработанная ими технология позволяет создавать материалы нового поколения с заданными свойствами на молекулярном уровне. Помимо борьбы с парниковыми газами, вициазиты могут применяться в качестве катализаторов химических реакций или специальных фильтров для извлечения ионов металлов из сточных вод. Проект реализован при поддержке Японского общества содействия науке и Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии.