Улавливание углекислого газа из воздуха и промышленных выбросов — одна из главных задач в борьбе с изменением климата. Учёные из Японии нашли неожиданно простой способ сделать это в семь раз эффективнее. Исследователи из компании Nitto Boseki и Университета Тохоку выяснили, что если заменить один из ионов в составе особого полимерного материала, его способность поглощать CO₂ резко возрастает. Открытие может помочь создать более мощные фильтры и мембраны для очистки газов.
Полиионные жидкости как ловушка для газа
Полиионные жидкости (сокращённо PIL) — это твёрдые вещества, которые сочетают свойства ионных жидкостей и полимеров. Первые хорошо притягивают углекислый газ, вторые придают материалу прочность и удобство в обработке. Благодаря этому PIL уже давно рассматривают как перспективную основу для устройств, улавливающих CO₂. Особенно хорошо себя зарекомендовали соединения с четвертичной аммониевой структурой — в них положительный заряд распределён по всей молекулярной цепочке. Однако до сих пор никто до конца не понимал, как на свойства материала влияют посторонние примеси, которые неизбежно возникают при синтезе.
Тонкая очистка от скрытых загрязнений
Главная трудность при создании полиионных жидкостей — неорганические соли, которые остаются в материале после изготовления. Эти посторонние вещества мешают точно измерить, насколько хорошо PIL справляется с поглощением газа. Стандартные способы очистки не могли полностью удалить соли, поэтому реальные показатели материала оставались заниженными.
Учёные из Японии решили эту проблему. Они взяли полимер под названием поли(диаллилдиметиламмоний хлорид) — вещество с высокой плотностью положительных зарядов — и разработали процедуру, которая позволила избавиться от всех следов солей. Чтобы убедиться в чистоте, они использовали сканирующую электронную микроскопию с рентгеновским микроанализом (SEM-EDX) и подтвердили полное исчезновение хлора из исходного материала и побочных продуктов. Только после этого исследователи приступили к экспериментам.
Чем крупнее анион — тем лучше захват
Следующий шаг — замена иона хлора на другие отрицательно заряженные частицы (анионы). Учёные взяли три варианта: ацетат, тиоцианат и трифторметансульфонат. Размер этих анионов различался, и авторы работы хотели понять, влияет ли это на способность полимера поглощать CO₂.
Результат оказался впечатляющим. Чем больше был размер аниона, тем активнее материал захватывал углекислый газ. Самый крупный анион — трифторметансульфонат — дал прирост адсорбционной способности в семь раз по сравнению с исходным полимером. При этом материал сохранял твёрдость и не терял стабильности.
«Мы установили новый принцип повышения производительности — точный подбор размера противоиона. Это открывает путь к созданию гораздо более эффективных систем улавливания CO₂ и газоразделительных мембран», — объясняет ведущий автор исследования Коуки Ока из Университета Тохоку.
Что это даёт на практике
Сейчас технологии улавливания углекислого газа часто громоздки и дороги. Новый метод — замена противоиона в полиионных жидкостях — не требует сложного оборудования или дорогих реагентов. Достаточно правильно подобрать анион и тщательно очистить конечный продукт. Это делает разработку привлекательной для промышленного использования.
- Системы фильтрации выбросов заводов и электростанций смогут стать компактнее и эффективнее;
- Газоразделительные мембраны для улавливания CO₂ из воздуха получат более производительный материал;
- Сам процесс изготовления полиионных жидкостей не требует кардинальной перестройки — достаточно скорректировать стадию подбора аниона.
Конечно, до внедрения в серийное производство предстоит ещё много работы: нужно проверить долговечность материалов, их устойчивость к примесям в реальных выбросах, а также найти способы масштабировать очистку. Но сам принцип уже доказан.
Взгляд в будущее
Исследователи отмечают, что до сих пор влияние остаточных металлов и неорганических солей на свойства полиионных жидкостей почти не изучали. Их работа заполнила этот пробел. Теперь у инженеров есть чёткое правило: чем крупнее противоион, тем больше углекислого газа способен поглотить материал. В перспективе это позволит создавать фильтры, которые будут улавливать CO₂ не только эффективнее, но и быстрее, а значит — дешевле. Подробности эксперимента можно найти в журнале Reaction Chemistry & Engineering.
Учёные уже работают над тем, чтобы проверить, как новый подход поведёт себя на других типах полиионных жидкостей. Если закономерность подтвердится, замена аниона станет стандартным приёмом при разработке материалов для улавливания парниковых газов.
