Сотрудники Института катализа СО РАН, ученые из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ Даниил Колоколов и Александр Степанов совместно с коллегами из Ганноверского университета им. Лейбница и Аугсбургского университета (Германия) внесли значительный вклад в понимание механизма разделения углеводородов нанопористыми материалами – металл-органическими координационными полимерами.
Это стало продолжением исследований, направленных на получение новых микропористых материалов — металл-органических каркасов с контролируемыми функциональными свойствами, которые основаны на принципах направленного молекулярного дизайна. Новосибирские ученые внесли основной вклад в изучение структурной подвижности новых материалов и наглядно показали, что дизайн органического линкера позволяет направленно регулировать скорость и другие параметры вращения подвижных молекулярных фрагментов структуры.
Международный авторский коллектив научился управлять процессом разделения углеводородов посредством изменения газопроницаемости мембран, сделанных из этих материалов, с помощью электрических полей. Этот подход может существенно упростить производство пластмасс, таких как, например, полиэтилен или полипропилен, что поможет значительно снизить издержки их производства. Результаты исследования международного научного коллектива опубликованы в авторитетном журнале Science.
Производство высокочистого пропилена для полимеризации в пластмассовый полипропилен (ПП) является весьма энергоемким. Обычно отделение пропилена от других углеводородов (пропана) осуществляется с помощью криогенного процесса дистилляции при температуре до -40 градусов Цельсия. Однако проще этот процесс можно осуществить с помощью нанопористой газоразделительной мембраны, состоящей из металл-органических координационных полимеров (MOF), то есть из плотного слоя нанопористых кристаллов. MOF обладают регулируемыми размерами пор, которые могут быть близки к размерам молекул компонентов природного газа - пропану и пропилену, и поэтому способны проявлять молекулярно-ситовые свойства. Кристаллы МОF обладают дышащими свойствами, то есть могут изменять размер и доступность пор при внешних воздействиях.
Новосибирские ученые показали, что в перспективном с точки зрения разделения легких углеводородов MOF ZIF-8 при обычных температурах органический каркас весьма подвижен, многочисленные беспорядочные колебания решетки размывают эффективный размер пор, вследствие чего разделение пропана и пропилена не является эффективным. Однако беспорядочные скелетные колебания каркаса в кристалле MOF можно дефибриллировать приложенным электрическим полем. При этом органические лиганды, образующие каркас и формирующие внутреннюю систему пор, выстраиваются в определенной последовательности, увеличивая и фиксируя таким образом эффективные размеры пор. Разделение пропилена и пропана при этом значительно улучшается при разнице в размерах между молекулами пропана и пропилена всего в 0,03 нм. Именно поэтому разделение двух углеводородов с помощью мембранной технологии может стать экологически и экономически обоснованным.
По словам Даниила Колоколова, этот результат, с одной стороны, имеет важное фундаментальное значение, а с другой - получился благодаря успешному технологическому применению материалов нового типа. На сегодняшний день ученые смогли еще дальше продвинуться в способах контроля за структурой и подвижностью каркаса этих новых материалов.
Текст статьи «Defibrillation of Soft Porous Metal-Organic Frameworks with Electric Fields» доступен по ссылке: http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aal2456
Исследование выполнено при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 17-73-10135).
