Chemicy z USA zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny zdolny do selektywnego pochłaniania dwutlenku węgla z powietrza. Po podgrzaniu tej substancji dwutlenek węgla ulega ponownej desorpcji. Jak piszą autorzy badań 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. Często wykorzystuje się je do selektywnej absorpcji gazów, w tym dwutlenku węgla CO2. Ale chemicy nie wynaleźli jeszcze struktur zdolnych do selektywnego i selektywnego pochłaniania CO2 z powietrza, ponieważ jego stężenie w powietrzu jest bardzo niskie — około 400 części na milion.
Jednak niedawno naukowcy pod kierownictwem Omara M. Yaghi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali strukturę zdolną do selektywnego pochłaniania CO2 z powietrza. Ich pomysł polegał na tym, że pory ramy 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 bifenylodikarbldehydu i 1,3,5-tris(4-cyjanometylofenylo)benzenu, który poddano kondensacji Knevenagelem. Otrzymaną substancję naukowcy odzyskali za pomocą trifenylofosfiny w wodzie — jednocześnie grupy azydkowe zamieniły się w grupy aminowe. Chemicy zmieszali produkt tej reakcji z azyrydyną, 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 scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR w ciele stałym.
Następnie chemicy zbadali zdolność COF-999 do adsorbowania różnych składników powietrza — azotu, tlenu, argonu i dwutlenku węgla. Ustalili, że pierwsze trzy praktycznie nie są pochłaniane przez ramę, za to dwutlenek węgla jest wchłaniany szybko i w dużych ilościach. Przy zerowej wilgotności COF-999 zaadsorbował do 0,96 milimola dwutlenku węgla na gram ramy. A kiedy wilgotność wzrosła do 50 procent, pojemność materiału wzrosła do dwóch milimoli CO2 na gram.
Następnie naukowcy przetestowali COF-999 w warunkach ulicznych. W ciągu 20 dni naukowcy przeprowadzili 100 kolejnych cykli adsorpcji-desorpcji CO2 z powietrza ulicznego 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 selektywnej absorpcji do dwóch milimoli dwutlenku węgla na gram absorbera w ciągu godziny. W przyszłości naukowcy planują zsyntetyzować zestaw podobnych struktur i porównać ich zdolność do pochłaniania CO2.
Wcześniej rozmawialiśmy o tym, jak chemicy zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny z wiązaniami topologicznymi.