Amerykańscy chemicy zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny zdolny do selektywnego pochłaniania dwutlenku węgla z powietrza. Po podgrzaniu tej substancji dwutlenek węgla był desorbowany z powrotem do powietrza. Jak donoszą autorzy badania w czasopiśmie „Nature”, powstały materiał wytrzymał ponad 100 cykli adsorpcji i desorpcji dwutlenku węgla z powietrza zewnętrznego.
Kowalencyjne struktury organiczne (COF) to krystaliczne i porowate struktury zbudowane z cząsteczek organicznych. Są one często wykorzystywane do selektywnej absorpcji gazów, w tym dwutlenku węgla (CO2). Jednak chemicy nie opracowali jeszcze struktur zdolnych do selektywnej i odwracalnej absorpcji 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 Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali strukturę zdolną do selektywnego pochłaniania CO2 z powietrza. Ich pomysł polegał na wypełnieniu porów struktury 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 następnie poddali kondensacji Knoevenagela. Następnie naukowcy zredukowali powstały związek za pomocą trifenylofosfiny w wodzie, przekształcając grupy azydkowe w grupy aminowe. Następnie chemicy zmieszali produkt tej reakcji z azyrydyną, która została otwarta przez grupy aminowe szkieletu, tworząc rozgałęzione łańcuchy węglowe zawierające liczne nowe grupy aminowe. W ten sposób otrzymano szkielet poliaminowy COF-999, który scharakteryzowali za pomocą spektroskopii NMR w ciele stałym.
Następnie chemicy przetestowali zdolność COF-999 do adsorpcji różnych składników powietrza – azotu, tlenu, argonu i dwutlenku węgla. Stwierdzili, że pierwsze trzy składniki praktycznie nie były absorbowane przez szkielet, ale dwutlenek węgla był absorbowany szybko i w dużych ilościach. Przy zerowej wilgotności COF-999 adsorbował do 0,96 milimola dwutlenku węgla na gram szkieletu. Wraz ze wzrostem wilgotności do 50%, zdolność materiału do adsorpcji wzrosła do dwóch milimoli CO₂ na gram.
Następnie naukowcy przetestowali COF-999 w warunkach zewnętrznych. W ciągu 20 dni naukowcy przeprowadzili 100 kolejnych cykli adsorpcji i desorpcji CO2 z kalifornijskiego powietrza zewnętrznego. Średnia wydajność rusztowania wyniosła 1,28 milimola CO2 na gram. Co więcej, struktura i aktywność COF-999 pozostały niezmienione po 20-dniowym eksperymencie.
W ten sposób chemicy zsyntetyzowali pierwszy kowalencyjny szkielet organiczny zdolny do selektywnej absorpcji do dwóch milimoli dwutlenku węgla na gram absorbentu w ciągu godziny. W przyszłości naukowcy planują zsyntetyzować zestaw podobnych szkieletów i porównać ich zdolność do absorpcji CO2.
Wcześniej omawialiśmy, w jaki sposób chemicy zsyntetyzowali kowalencyjny szkielet organiczny z wiązaniami topologicznymi.
