Создан новый тип пористого материала, обладающий свойством выделять компоненты из смеси газов.

Структура этого нового материала представляет собой трехмерный каркас, построенный из слоев, образованных атомами алюминия и кислорода, чередующихся с органическими молекулами НДК (1,4-нафталин дикарбоксилата). Эта металлоорганическая решетка, или MOF (metal–organic framework), как показали эксперименты, способна разделять газы или жидкости, выступать в роли катализатора химических реакций, а также запасать большие объемы газообразных веществ.

Международная группа ученых на базе крупного японского исследовательского центра RIKEN разработала и изучила свойства нового металлоорганического каркасного материала. С помощью рентгеноструктурного анализа ученые выявили наличие двух типов образуемых материалом пор, существенно различающихся по строению и размерам. Поры меньшего размера, представляющие собой каналы из нафталиновых молекул, имеют диаметр всего 0.3 нм; размер пор второго типа, имеющих в сечении квадрат, в углах которого находятся алюминиевые кластеры Al(OH)2O4, составляет 0.77 нм.

«При создании этого материала мы предполагали, что его кристаллическая структура будет каркасного типа и пористой, – Рассказывает один из участников проекта, сотрудник Калифорнийского Университета в Беркли (США) Сатоши Хорайк (Satoshi Horike). – Однако, к нашему удивлению, полученный материал содержит даже два типа пор».

Особенности строения и свойства пористого материала изучали с использованием возможностей ядерного магнитного резонанса (ЯМР): этот метод позволяет наблюдать магнитное поведение ядер атомов и создавать трехмерные детализированные изображения каркасной структуры.

В ЯМР-эксперименте с использованием диффузии в материале инертного газа ксенона (Xe), ученые доказали, что поры (каналы) имеют открытые концы, расположены параллельно друг другу и независимы. Диаметр атома ксенона составляет 0.44 нм и больше диаметра малых пор, однако большие поры свободно пропускают ксенон, если поры не заблокированы другими молекулами, например, водой. Варьирование температур в эксперименте зондирования пор атомами ксенона обеспечило возможность беспрецедентной детализации особенностей внутреннего пространства и поверхности больших пор.

Большие поры, стенки которых образованы нафталиновыми молекулами, позволяют протекать одномерной диффузии молекул газа и одновременно представляют собой уникальную матрицу для селективной адсорбции молекул.

Молекулы углекислого газа также могут просачиваться сквозь материал. Ученые подсчитали, что каждый грамм материала способен связать углекислый газ на поверхности, большей 500 м2 – превышающей размер двух теннисных кортов.

Небольшие органические молекулы типа метанола или ацетона легко сорбируются материалом, а для сорбции воды в гидрофобных (водоотталкивающих) порах необходимо приложить большее давление – это свойство может применяться для разделения водно-спиртовых смесей: «В задачах получения жидкого топлива из биомассы как раз актуально отделение в газовой фазе этанола от воды», – комментирует Хорайк.

Малые поры, в свою очередь, могут хорошо задерживать молекулы водорода, разработка всевозможных способов запасания которого представляет интерес в сфере инновационной энергетики.

На основании полученных результатов ученые рассчитали емкость нового материала при запасании различных веществ: метанола, ацетона, бензола, углекислого газа. Стабильность свойств материала в широком диапазоне температур в сочетании с высокими сорбционными свойствами делают его привлекательным в качестве матрицы для выделения и очистки органических компонентов из содержащих воду субстанций.

Источник(и):

1. MOFs that can separate different gases

2. JACS: Nanochannels of Two Distinct Cross-Sections in a Porous Al-Based Coordination Polymer

3. http://www.nanonewsnet.ru