В ФИЦ «Институт катализа СО РАН» ведут разработки и совершенствуют материалы, предназначенные для адсорбции СО 2, материалы, состоящие из силикагеля и ионной жидкости на основе соли глицина – глицината, позволили определить оптимальные условия синтеза, обеспечивающие высокую скорость поглощения и полную конверсию.
Ионные жидкости представляют собой органические соли, характеризующиеся низкой температурой плавления – они переходят в жидкое состояние при температуре 100 °C и ниже. Благодаря этим уникальным свойствам, они находят применение в самых разных сферах, начиная от биологических исследований и заканчивая ракетостроением, где выступают в роли растворителей, электролитов или катализаторов. В Институте катализа СО РАН ионные жидкости исследуются в контексте технологий сорбции углекислого газа.
«Для использования нами применяются ионные жидкости, содержащие аминокислотный анион, где аминогруппа выступает в качестве активного центра сорбции углекислого газа 2, жидкости обладают способностью напрямую взаимодействовать с углекислым газом. Однако их высокая вязкость приводит к низкой скорости сорбции в массивном состоянии. Для ускорения этого процесса необходимо повысить дисперсность активного компонента, что достигается нанесением на носители с развитой пористой структурой, такие как силикагель. «Благодаря этому процесс заметно ускоряется», — рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН Андрей Шешковас.
Реакция протекает на активных центрах, представленных глицинат-ионами (анионами аминокислоты глицина). Процесс состоит из двух последовательных стадий. На первом этапе углекислый газ реагирует с аминогруппой, формируя карбаминовую кислоту, затем происходит перенос протона на следующий анион ионной жидкости, что приводит к образованию карбамата. Эти соединения безопасны для здоровья и встречаются в природе.
Ученые ИК СО РАН улучшают свойства этих систем. В частности, они исследовали параметр микровязкости — он в числе других может отвечать за скорость поглощения СО 2. Для этого применялся современный метод дейтериевого ядерного магнитного резонанса. Этот метод является одним из немногих, позволяющих непосредственно исследовать динамику движения и взаимодействия молекул внутри пор носителя. Результаты работы показали, что добавление ионных жидкостей способствует уменьшению энергетического барьера вращения молекул. В порах носителя они локально переориентируются, что приводит к снижению микровязкости ионных жидкостей и, как следствие, к увеличению скорости поглощения углекислого газа – конверсия достигает 100% за короткое время%.
По словам исследователя, скорость поглощения СО2 одним и тем же материалом без пористого носителя и вместе с ним может отличаться в тысячу раз, если нанести его на пористую матрицу. Также он отмечает, что у разрабатываемых материалов затраты энергии на регенерацию в полтора раза ниже, чем у традиционных водно-аминовых растворов, которые сейчас используют в промышленности.
Ученые намерены продолжить исследование характеристик материалов и изменять их параметры с целью повышения способности к поглощению углекислого газа.