Исследователи из Великобритании разработали металлоорганическую каркасную структуру, отличающуюся исключительной селективностью в поглощении углекислого газа в присутствии ацетилена – новый материал может оказаться полезным для разделения и хранения газов, в том числе и тех, которые являются топливом.

Металлоорагнические каркасные структуры представляют собой ионы и кластеры металлов, связанные органическими лигандами, которые способствуют формированию протяженной кристаллической, зачастую пористой структуры. Размер пор может быть подстроен за счет изменения строения лигандов, поэтому такие каркасные структуры применяются для хранения газов и разделения газовых смесей.

Однако большинство металлоорганических каркасных структур селективно поглощают ацетилен из смеси ацетилен/углекислый газ, поскольку межмолекулярное взаимодействие металлоорганических каркасов с этином прочнее, чем с CO₂, что ограничивает их практическое применение.

Рис. 1. Полости металлоорганической каркасной структуры,
содержащей карбоксильные и пиридильные группы, селективно
поглощают углекислый газ в присутствии ацетилена.
(Рисунок из Chem. Sci., 2012, DOI: 10.1039/c2sc20443f)

Мартину Шредеру (Martin Schröder) из Университета Ноттингема удалось синтезировать металлоорганическую каркасную структуру, в которой углекислый газ индуцирует процесс динамического фазового перехода, что делает полученный материал более селективным по отношению к CO₂, а не к ацетилену.

Исследователи получили лиганд такого строения, что после координации с ионом металла в нем остаются свободные карбоксилатные и пиридильные группы, которые направлены внутрь пор, благодаря чему они могут взаимодействовать с молекулами гостей. Шродер отмечает, что

одновременное наличие в порах кислотных и основных групп позволяло ожидать связывание металлоорганическим каркасом различных субстратов; при этом вдвойне интересным оказалось то, что связывание нового материала с углекислым газом было прочнее, чем с ацетиленом.

В качестве потенциальных материалов для захвата углерода уже было исследовано значительное количество различных металлоорганических каркасных структур, поэтому одним из наиболее интересных моментов для создателей нового пористого материала являлся механизм связывания CO₂ металлоорганическим каркасом; в настоящее время для углекислого газа выделяется два отдельных этапа для поглощения газа, что было подтверждено теоретическими и экспериментальными методами.

Было обнаружено, что

пиридильные циклы вращаются, что приводит к переходу от большого диаметра поры к малому, что позволяет добиться постепенного увеличения степени адсорбции углекислого газа. Такое изменение размера пор непосредственно индуцируется углекислым газом, что, в итоге, и объясняет большее сродство новой металлоорганической каркасной структуры к CO₂ по сравнению с ацетиленом.

Помимо адсорбции и хранения газом металлоорганические каркасные структуры могут применяться и в других областях – доставка лекарственных препаратов, вещества обладающие уникальными электронными и магнитными свойствами, поэтому, по словам Рассела Морриса (Russell Morris), эксперта по пористым твердым веществам из Университета Св. Андрея (Великобритания) отмечает, что

материал с необычной селективностью может оказаться перспективным и для применения в других областях подобного рода.