ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АДСОРБЕНТОВ
Современные адсорбционные материалы должны обладать, помимо сорбционных, также определенным набором физико-механических свойств, например, связанных с термическим расширением или динамикой сорбции. Для исследования свойств материалов задействуется современное оборудование Центра коллективного пользования физическими методами исследования (ЦКП ФМИ) ИФХЭ РАН. Кроме того, в лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН разрабатывается и производится специализированное оборудование, например, для измерения сорбции при высоких давлениях.
«Наиболее типовой метод для измерения пористых свойств – низкотемпературная сорбция азота, – объяснил А. В. Школин. – Этот метод не работает для оценки пор у большинства молекулярных сит, потому что размер молекулы азота оказывается больше размера поры. Для оценки сорбции крупных органических молекул данные по азоту тоже не актуальны. Мы измеряем пористую структуру с помощью молекул разных газов – это может быть гелий, азот, бензол, – выбирая близкую по размерам к целевой молекулу-эталон».
В лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН создаются протоколы исследования функциональных адсорбентов и предпринимаются усилия по внедрению их в общую практику, в том числе международную.
«Стандартные методы по отдельности не всегда позволяют охарактеризовать материал. Например, некоторые материалы, особенно адсорбенты для газовой хроматографии или для подготовки газов, сохраняют свою кристаллическую структуру, но меняют свойства с изменением температуры. Мы совместили результаты термоанализа и рентгеноструктурного анализа для ряда материалов и были очень удивлены. Эта информация изменила наш подход к проектированию функциональных адсорбционных материалов», – рассказал А. В. Школин.
БИБЛИОТЕКА АДСОРБЕНТОВ
В лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН создана и пополняется библиотека адсорбентов. Её начал собирать основатель Лаборатории академик Михаил Михайлович Дубинин. Самые первые цеолиты в коллекции были привезены из Германии в 1961 году. Чтобы постоянно развивать библиотеку, учёные лаборатории взаимодействуют с компаниями, производящими адсорбенты, и следят за их ассортиментом и новинками. Образцы описаны и индивидуально охарактеризованы.
В случае, когда заказчику для того или иного материала требуется подобрать наиболее подходящий аналог из имеющихся на рынке, библиотека адсорбентов позволяет в кратчайшие сроки найти нужного производителя.
Следующим шагом развития библиотеки стала обработка собранных данных с помощью систем искусственного интеллекта. Комбинируя данные об образцах и разработанные в Лаборатории модели, удаётся ответить на вопрос, какая пористая структура соответствует материалу с заданными свойствами. В настоящее время ведутся работы по изучению химии поверхности сорбционных материалов.
«Зная желаемые адсорбционные и физико-механические свойства материала, мы делаем выводы о том, какая у него должна быть пористая структура, – объяснил Андрей Вячеславович. – Дальше есть два варианта: либо в нашей библиотеке числится подходящий адсорбент, либо его надо спроектировать».
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ В ПОРЕ
Металлорганические координационные полимеры (или металлорганические каркасные структуры) приобрели популярность в начале XXI века. Особенность этих материалов – очень узкое распределение пор по размерам. Однако, поскольку узлы кристаллической решетки в МОКС связаны координационной (а не химической) связью, синтезируемый материал легко поддается деформации.
«Мы сконцентрировались на металлорганике, потому что таким образом можно создавать материал с молекулярно-ситовыми свойствами, – сказал А. В. Школин. – Деформацию материала можно использовать во благо и изготовить из него селективный сенсор, который будет улавливать из газового потока концентрацию ниже 1 ppm. Например, мы разрабатываем пьезорезонансные сенсоры на металлорганической каркасной структуре на основе лантана. Точность выявления примеси ацетона составляет 1 ppm. Наша задача – сделать еще более чувствительный сенсор».
Методом молекулярной динамики учёные Лаборатории прогнозируют селективные свойства материала. Численная модель показывает, с какими атомами в металлорганической каркасной структуре будет связываться та или иная молекула. Зная энергию связи молекулы в поре, удается определить, закрепится ли молекула в поре, или поток унесёт её наружу. Исследования по этой теме начались в 2023 году. Первые статьи уже опубликованы в высокорейтинговых журналах.
«Когда численное моделирование показывает, что материал обладает нужными свойствами, мы переходим к синтезу. Самый простой лабораторный метод для синтеза металлорганики – сольвотермальный синтез с последующей термовакуумной активацией, – объяснил А.В. Школин. – Как правило, получаются порошки, которые сложно где-нибудь использовать. Поэтому, когда ПАО «Газпром» заказал нам материал для аккумулирования метана, мы из порошков сделали функциональные материалы в форме таблеток или гранул».
На разработанные в лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН адсорбционные материалы и способ их получения зарегистрированы российские и международные патенты. Например, получено три патента на металлорганический материал для аккумулирования водорода.
УГЛЕРОДНЫЕ СОРБЕНТЫ
Углеродные адсорбенты имеют широкое распределение пор по размерам, поэтому они не могут селективно адсорбировать молекулы. Но эти структуры демонстрируют устойчивость в экстремальных условиях. Они стабильны при низких температурах, при высоких температурах, при высоких давлениях и при циклических нагрузках, в частности, перепадах давления. Например, углеродные сорбенты используются для улавливания микропримесей криптона и ксенона из сдувок атомных станций. Анализ показал, что после 30 лет эксплуатации структура адсорбентов практически не изменилась. Углеродным адсорбентом заполняются блоки для аккумулирования природного газа метана, разработанные по заказу ПАО «Газпром».
«С помощью функционализации и активации мы можем управлять параметрами пористой структуры, например, смещать максимум распределения пор по размерам в область более узких или более широких пор, или делать распределение уже или шире», – объяснил А. В. Школин.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИТА
Методом разложения полимеров в Лаборатории синтезируют адсорбенты класса «молекулярных сит», поры которых позволяют селективно пропускать одни молекулы и не пропускать другие. Молекулярные сита используются в системах очистки газов, например, для очистки гелия перед подачей в хроматограф, и в системах разделения газов, например, для разделения азота и кислорода в атмосферном воздухе.
«От фундаментальной теории до первых граммов адсорбента идет длинная дорога. Например, мы синтезировали более 1000 МОКС, но из них только 8 имеют воспроизводимые нужные свойства. Наработанная в Лаборатории фундаментальная база позволяет достаточно быстро определять требования к синтезу. Сегодня в ИФХЭ РАН сформирован научный кластер, который может проделать всю работу: от идеи до получения опытного образца. Для некоторых адсорбентов мы синтезировали по несколько грамм материала, а для других уже перешли к килограммовым количествам. Инженерно-технический центр ИФХЭ РАН – это отдел Института, занимающийся внедрением научных разработок в практику. Если говорить об адсорбентах, заказчики обращаются к нам для решения двух типов задач: часто просят сделать реверс-инжиниринг известного материала и значительно реже – спроектировать материал с заданными свойствами. Надо отметить, что, занимаясь реверс-инжинирингом, мы всегда лишь пытаемся догнать других разработчиков. Проектируя новый материал и разрабатывая технологию его синтеза, мы шагаем впереди, и тем самым создаем по-настоящему независимое и действительно передовое технологическое будущее страны», – подвел итог Андрей Вячеславович.
Материал подготовлен: Макарова Ольга / Пресс-служба ИФХЭ РАН
Редактор: Кулькова Татьяна / Администратор сайта ИФХЭ РАН