Chemicy z USA zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny zdolny do selektywnego pochłaniania dwutlenku węgla z powietrza. Kiedy substancja ta jest podgrzewana, dwutlenek węgla ulega desorpcji. Jak piszą autorzy badania w czasopiśmie Nature, uzyskany materiał był w stanie wytrzymać ponad 100 cykli adsorpcji-desorpcji dwutlenku węgla z powietrza ulicznego.
Kowalencyjne struktury organiczne (COF) to krystaliczne i porowate struktury zbudowane z cząsteczek organicznych. Są one często używane do selektywnej absorpcji gazów, w tym dwutlenku węgla CO2. Jednak chemicy nie opracowali jeszcze struktur zdolnych do selektywnego i wybiórczego pochłaniania CO2 z powietrza, ponieważ jego stężenie w powietrzu jest bardzo niskie — około 400 części na milion.
Ale ostatnio naukowcy pod przewodnictwem Omara M. Yaghiego z University of California w Berkeley opracowali strukturę zdolną do selektywnego pochłaniania CO2 z powietrza. Ich pomysł polegał na tym, że pory struktury były wypełnione grupami aminowymi zdolnymi do kowalencyjnego wiązania cząsteczek dwutlenku węgla w karbaminiany.
Aby uzyskać pożądaną strukturę, chemicy najpierw zsyntetyzowali szkielet z dużą liczbą grup azydkowych z modyfikowanego bifenylodikarbaldehydu i 1,3,5-tris(4-cyjanometylofenylo)benzenu, który poddali kondensacji Knevenagela. Naukowcy odzyskali otrzymaną substancję za pomocą trifenylofosfiny w wodzie — w tym samym czasie grupy azydkowe przekształciły się w grupy aminowe. Chemicy zmieszali produkt tej reakcji z azirydyną, która została otwarta przez grupy aminowe szkieletu z utworzeniem rozgałęzionych łańcuchów węglowych zawierających dużą liczbę nowych grup aminowych. W ten sposób naukowcy uzyskali szkielet poliaminowy COF-999, który został scharakteryzowany za pomocą spektroskopii NMR w stanie stałym.
Ponadto chemicy badali zdolność COF-999 do adsorbowania różnych składników powietrza — azotu, tlenu, argonu i dwutlenku węgla. Odkryli, że pierwsze trzy praktycznie nie były absorbowane przez ramę, ale dwutlenek węgla był absorbowany szybko i w dużych ilościach. Przy zerowej wilgotności COF-999 adsorbował do 0,96 milimoli dwutlenku węgla na gram ramy. A gdy wilgotność wzrosła do 50 procent, pojemność materiału wzrosła do dwóch milimoli CO2 na gram.
Następnie naukowcy przetestowali COF-999 w warunkach ulicznych. Przez 20 dni naukowcy przeprowadzili 100 kolejnych cykli adsorpcji-desorpcji CO2 z ulicznego powietrza w Kalifornii. Średnia pojemność ramy wynosiła 1,28 milimola CO2 na gram. Ponadto po 20-dniowym eksperymencie struktura i aktywność COF-999 nie uległy zmianie.
W ten sposób chemicy zsyntetyzowali pierwszy kowalencyjny szkielet organiczny zdolny do selektywnego pochłaniania do dwóch milimoli dwutlenku węgla na gram absorbera w ciągu godziny. W przyszłości naukowcy planują zsyntetyzować zestaw podobnych szkieletów i porównać ich zdolność do pochłaniania CO2.
Wcześniej mówiliśmy o tym, jak chemicy syntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny z połączeniami topologicznymi.