Пористый материал, способный «раскрываться» для приема легковоспламеняющегося ацетилена и управляемо «закрываться» для его выпуска наружу, разработан японскими учеными-химиками для устранения проблем существующих методов хранения опасных газов. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Легковоспламеняющийся промышленный газ можно хранить намного более безопасно и эффективно, используя баллоны, содержащие пористые координационные полимеры, также известные как «металлоорганические каркасы» (MOF). Ученые из Японского института интегрированных наук о клеточных материалах (iCeMS) Киотского университета и инновационного кампуса Air Liquide в Токио разработали материал для хранения газа. О результатах своих исследований ведущие разработчики сообщили в журнале Nature Chemistry.
Ацетилен используется в широком спектре промышленных процессов, включая сварку, резку металлов и органический химический синтез. Этот газ легко воспламеняется при комнатной температуре и способен самопроизвольно возгораться, когда давление поднимается выше 2 бар (это меньше, чем, например, обычное давление в автомобильной шине).
«Хранение ацетилена проблематично, так как это необходимо делать в таких диапазонах давления и температуры, которые не позволяют ему взорваться», – объясняет химик по материалам iCeMS Кен-ичи Отаке.
В настоящее время ацетилен принято хранить в баллонах, а также растворенным в таких растворителях, как ацетон. Хотя подобные меры позволяют хранить ацетилен при высоком давлении, такой зависящий от растворителя процесс выступает загрязнителем газа, снижая эффективность его применения. Тем не менее, хранить и транспортировать чистый ацетилен при более низком и безопасном давлении экономически нецелесообразно.
Химики iCeMS Сусуму Китагава, Кен-ичи Отаке и другие их коллеги в Японии и Франции исследовали MOF на основе цинка на предмет их способности безопасно хранить и выделять ацетилен. MOF представляют собой пористые материалы, состоящие из ионов металлов, окруженных органическими линкерными молекулами. Ацетилен адсорбируется на пористых участках MOF, что позволяет плотно хранить молекулы газа при низком давлении.
Исследователи подготовили структуры на основе цинка, содержащие бензолдикарбоксилатные и бипиридиновые линкеры, и модифицировали их амино- или нитрофункциональными группами. Эти модификации функциональных групп применяются контролируемым образом для регулирования давления, необходимого для введения газа, и давления, при котором газ затем высвобождается для использования. Такой контроль позволяет исследователям прогнозировать разработку материала, подходящего для высвобождения и использования ацетилена в заранее определенных диапазонах рабочего давления.
Исследователи обнаружили, что разработанные ими гибкие MOF могут хранить большое количество ацетилена при давлении ниже 2 бар, причем не требуя растворителя. Они экспериментально продемонстрировали выделение ацетилена при атмосферном давлении с использованием небольшого сосуда-прототипа в реальных условиях. Материал с функциональными аминогруппами был признан особенно успешным, так как он мог высвобождать до 77% хранимого газа при атмосферном давлении.
«Наши результаты показывают, что ацетилен можно хранить в меньших баллонах, при более низком давлении и в больших количествах – до 37 раз больше, чем в других решениях для хранения, не содержащих растворителей», – отмечает Отаке.
Кроме того, исследователи обнаружили, что они могут настроить гибкость пористого материала с помощью формирования функциональных групп таким образом, чтобы различные варианты подходили для хранения газа в различных условиях и температурах, адаптируя их MOF к конечному использованию. Они планируют разработать аналогичные MOF с надежно «закрытым» давлением для хранения других потенциально опасных газов, таких как углекислый газ, кислород и метан.