В Корее представили метод, повышающий адсорбцию CO₂ металлическими структурами на 75 процентов благодаря лазерному воздействию на их внутреннее строение. Данная работа, описанная достаточно подробно, выполнена под руководством Хи-Чжуна Ли, ведущего сотрудника Корейского института материаловедения (KIMS), совместно с профессором Сунгваном Парком из Национального университета Кюнгпук и профессором Мингю Кимом из университета Юннам.
Ирина Медведева
Схематическое изображение механизма эволюции пористой структуры металлоорганических каркасных структур (МОКС). Korea Institute of Materials Science (KIMS). Источник: theengineer.co.uk
Разделение газовых смесей — важная задача
Разделение газовых смесей, в частности диоксида углерода и метана, играет важную роль в таких задачах, как очистка природного газа и повышение энергетической эффективности. Эта процедура рассматривается как одна из ключевых для достижения углеродной нейтральности. В связи с этим растет потребность в высокоэффективных материалах-адсорбентах. Однако традиционные методы, включая жидкостную абсорбцию и криогенное разделение, требуют больших затрат энергии и связаны с высокими эксплуатационными расходами.
Адсорбцию металлоорганических структур можно настроить
Технологии разделения, основанные на адсорбции с использованием пористых материалов, имеющих губчатую микроструктуру, привлекают все больше внимания. Особый интерес вызывают металлоорганические каркасы (MOF) благодаря значительной площади внутренней поверхности и возможности настройки их структуры. Тем не менее структурные дефекты, возникающие в процессе синтеза, часто приводят к неоднородности пор и уменьшению количества микропор, которые наиболее благоприятны для адсорбции CO₂. Для устранения этих недостатков ранее применялись химические или термические обработки, однако такие подходы включают сложные процедуры и могут повредить структуру пор, снижая стабильность материала и его эксплуатационные характеристики.
Метод лазерно-индуцированной пористости
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала метод лазерно-индуцированной пористости (LIPE). Этот метод позволяет точно контролировать внутренние дефекты и структуру пор в MOF-материалах без применения химической обработки. Суть метода заключается в быстром нагреве и последующем охлаждении материала, что приводит к перестройке дефектной структуры и улучшению однородности пор. В результате уменьшаются размеры пор, не способствующих адсорбции CO₂, и формируются микропоры с поверхностными характеристиками, улучшающими улавливание углекислого газа.
Результаты, полученные корейскими исследователями, открывают путь к принципиально новому подходу в материаловедении. Вместо того чтобы бороться с неизбежными дефектами кристаллической решётки, которые возникают при синтезе MOF, учёные предложили использовать их как ресурс для улучшения характеристик. Лазерный импульс в данном случае выступает не как инструмент резки или ablation, а как высокоточный «хирургический» инструмент для перестройки внутренней архитектуры материала на наноуровне. Быстрый нагрев, длящийся микросекунды, позволяет атомам и молекулам каркаса перегруппироваться, «залечивая» крупные и неселективные поры и превращая их в узкие микропоры, идеально подходящие для захвата молекул CO₂. Это принципиально отличает метод LIPE от традиционной термообработки в печи, где нагрев происходит равномерно и медленно, что часто приводит к коллапсу всей структуры, а не к её избирательной оптимизации.
В отличие от традиционных подходов, где дефекты устраняются химическим или термическим воздействием, данный метод улучшает производительность за счет перестройки существующих дефектов с помощью лазерной обработки. Это обеспечивает точный контроль над структурой пор без дополнительных химических операций, повышая адсорбционную способность по CO₂ и селективность. В результате у новых MOF-материалов удельная поверхность увеличилась на 94 процента, а адсорбционная способность по CO₂ — на 75 процентов.
Значение метода для промышленной практики
И это не просто лабораторные цифры, а прямое указание на то, что один и тот же объем адсорбента теперь может улавливать значительно больше углекислого газа за цикл. Для промышленности, где размеры установок и количество циклов регенерации напрямую влияют на себестоимость процесса, это означает снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Например, на установках по очистке биогаза или природного газа от CO₂ можно будет использовать колонны меньшего диаметра или реже проводить регенерацию сорбента, что напрямую ведёт к экономии энергии. Кроме того, лазерная обработка является сухим и чистым процессом, не требующим использования растворителей или кислот, что делает его экологически безопасным и легко масштабируемым.
Особое внимание стоит уделить селективности материала. Разделение CO₂ и CH₄ — одна из сложнейших задач, так как молекулы этих газов имеют схожие размеры и физические свойства.
Традиционные MOF часто показывают хорошую адсорбцию обоих газов, снижая эффективность разделения. Однако метод LIPE, создавая более узкие и однородные поры, позволяет «настроить» каркас на предпочтительное связывание именно с CO₂, который обладает более сильным квадрупольным моментом и легче поляризуется в узком пространстве. Таким образом, лазерная обработка не просто увеличивает количество пор, а меняет их химическое окружение, делая материал высокоселективным «ситом» для молекул углекислого газа.
Перспективы технологии
«Ожидается, что данная технология станет базовым решением нового поколения для отраслей, связанных с улавливанием углерода и разделением газов, так как она позволяет осуществлять переработку с низким энергопотреблением и на больших площадях», — отметил Ли.
В перспективе, данная технология может выйти далеко за пределы простого улавливания углерода. Лазерно-индуцированная пористость — это универсальный инструмент для пост-синтетической модификации любых пористых координационных полимеров. Исследователи уже сейчас изучают возможность применения LIPE для создания MOF, предназначенных для хранения водорода, катализа химических реакций или даже для извлечения ценных металлов из растворов.
Сам факт того, что дефектную структуру можно не выбраковывать, а «докручивать» до идеала с помощью света, — меняет саму парадигму синтеза функциональных материалов, смещая фокус с поиска безупречного рецепта на гибкое управление несовершенствами.
Наконец, работа корейской группы демонстрирует, что синергия фундаментальной науки и инженерной мысли способна давать прорывные результаты в борьбе с климатическими изменениями. Пока мировое сообщество ищет способы сократить выбросы, такие технологии, как LIPE, предлагают ретроспективное решение: как эффективно убрать уже выброшенный CO₂ из атмосферы или промышленных потоков, но с минимальным энергопотреблением.
Если метод удастся успешно масштабировать до промышленных рулонных обработок или параллельной обработки больших объёмов порошка, человечество получит в свои руки не просто абсорбент, а реальный рабочий инструмент для реализации сценариев углеродно-отрицательной экономики, где каждый кубометр газа проходит через лазерно-улучшенные наногубки.
В России ученые также решают задачи очистки атмосферы от СО2: новосибирскими исследователями разработан инновационный метод преобразования глицерина в соединение, способное улавливать углекислый газ из атмосферы. В основе технологии лежит применение каталитических систем с содержанием никеля.