Новосибирские учёные ускорили поглощение CO₂ с помощью ионных жидкостей

В Новосибирске, в Федеральном исследовательском центре «Институт катализа СО РАН», ведутся работы по созданию усовершенствованных материалов для улавливания углекислого газа. Разработки основаны на сочетании силикагеля и ионных жидкостей, в которых анион образован солью аминокислоты глицина — глицинатом. Исследователи определили условия синтеза, при которых материал способен поглощать СО₂ с высокой скоростью и достигать стопроцентной конверсии.

Ионные жидкости — это органические соли с температурой плавления ниже 100 °C. Их применяют в разных областях — от биотехнологий до ракетостроения — как растворители, электролиты или катализаторы. В лабораториях Института катализа такие жидкости изучают в системах сорбции углекислого газа. Как поясняет младший научный сотрудник отдела нетрадиционных каталитических процессов Андрей Шешковас, в работе используются ионные жидкости с аминокислотным анионом, аминогруппа которого служит активным центром для связывания СО₂. Однако в массивном состоянии высокая вязкость этих соединений замедляет сорбцию. Чтобы увеличить скорость, активный компонент распределяют по поверхности носителей с развитой пористой структурой — в данном случае, силикагеля. Это позволяет существенно ускорить процесс.

Механизм связывания газа включает две стадии: взаимодействие молекул СО₂ с аминогруппой с образованием карбаминовой кислоты, а затем протонный обмен с другим анионом ионной жидкости, в результате чего получается карбамат. Эти вещества нетоксичны и встречаются в природе.

В ходе исследований учёные обратили внимание на микровязкость — параметр, влияющий на скорость поглощения. Для его анализа применили метод дейтериевого ядерного магнитного резонанса, позволяющий наблюдать движение и взаимодействие молекул непосредственно в порах носителя. Оказалось, что нанесение ионных жидкостей на силикагель снижает энергетический барьер вращения молекул и уменьшает микровязкость, за счёт чего возрастает скорость связывания углекислого газа. При этом конверсия достигает 100 % за короткое время.

Разница в скорости между материалом без пористого носителя и материалом на его основе может быть тысячекратной. Кроме того, по словам исследователя, энергозатраты на регенерацию в таких системах в полтора раза ниже, чем у распространённых в промышленности водно-аминовых растворов.

Учёные планируют продолжить работу, изменяя параметры и состав материалов, чтобы добиться ещё большей сорбционной ёмкости и повысить эффективность технологий улавливания СО₂.