Amerykańscy chemicy zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny, który jest w stanie selektywnie pochłaniać dwutlenek węgla z powietrza. Pod wpływem ciepła substancja ta ulega ponownej desorpcji dwutlenku węgla. 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 wykorzystywane do selektywnego pochłaniania gazów, w tym dwutlenku węgla CO2. Ale chemikom nie udało się jeszcze wynaleźć systemów, które umożliwiałyby selektywne i wybiórcze pochłanianie CO2 z powietrza, ponieważ jego stężenie w powietrzu jest bardzo niskie — około 400 części na milion.
Niedawno jednak naukowcy pod kierownictwem Omara M. Yaghiego z University of California w Berkeley opracowali konstrukcję umożliwiającą selektywne pochłanianie CO2 z powietrza. Ich pomysł polegał na tym, że pory szkieletu wypełnione były 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, które poddali kondensacji Knevenagela. Naukowcy odzyskali uzyskaną substancję za pomocą trifenylofosfiny w wodzie — jednocześnie grupy azydkowe przekształciły się w grupy aminowe. Chemicy zmieszali produkt tej reakcji z azirydyną, która została otwarta przez grupy aminowe szkieletu, co spowodowało powstanie rozgałęzionych łańcuchów węglowych zawierających dużą liczbę nowych grup aminowych. W ten sposób naukowcy uzyskali szkielet poliaminy COF-999, który scharakteryzowali za pomocą spektroskopii NMR w ciele stałym.
Następnie chemicy zbadali zdolność COF-999 do adsorpcji różnych składników powietrza — azotu, tlenu, argonu i dwutlenku węgla. Stwierdzono, że pierwsze trzy praktycznie nie są pochłaniane przez organizm, natomiast dwutlenek węgla jest pochłaniany szybko i w dużych ilościach. Przy zerowej wilgotności COF-999 pochłonął do 0,96 milimola dwutlenku węgla na gram klatki. A gdy 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. Co więcej, 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 absorbenta w ciągu godziny. W przyszłości naukowcy planują syntetyzować zestaw podobnych struktur i porównać ich zdolność do pochłaniania CO2.
Wcześniej omawialiśmy, w jaki sposób chemicy zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny z wiązaniami topologicznymi.