Исследователи из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН создали целое семейство металл-органических каркасных структур, которые способны сорбировать этан из газовой смеси лучше, чем этилен. Открытие, которое найдет применение в крупнотоннажном химическом производстве, опубликовано в престижном химическом журнале Angewandte Chemie International Edition.

«Этилен — самое производимое органическое соединение в мире; мировое производство этилена составляет более 150 миллионов тонн в год и продолжает расти. Этилен получают крекингом углеводородов. При этом получается смесь продуктов, которые необходимо разделить. Наиболее сложным является отделение этилена от этана, так как эти вещества обладают близкими физическими свойствами. В нефтеперерабатывающей промышленности используют криогенную дистилляцию для разделения этилена и этана. Однако, этот процесс является дорогостоящим и требует больших затрат энергии, так как проводится при высоком давлении и низкой температуре», — говорит руководитель исследовательской группы, главный научный сотрудник ИНХ СО РАН, член-корреспондент РАН Владимир Федин.

Было бы заманчиво сорбировать примесь этана из газовой смеси, однако существующие сорбенты лучше поглощают этилен, чем этан – что обусловлено наличием двойной связи в молекуле этилена.

Новосибирские химики решили обратиться к достаточно новому классу соединений, который активно разрабатывается во всем мире: металл-органическим каркасным структурам. Что это такое?

Металл-органические каркасные структуры (MOF, metal–organic framework) — это пористые кристаллические материалы, в которых ионы металла связаны между собой органическими молекулами (лигандами) в трехмерную структуру. Внутри таких каркасных структур образуются достаточно крупные поры от 0,1 до 10 нм, в которые могут попадать различные молекулы. MOF характеризуются высокой пористостью, открытыми наружу внутренними каналами и большой площадью внутренней поверхностью. Меняя металлы и лиганды, можно изменять размер и форму пор для тонкой настройки свойств материала.

Авторы работы синтезировали семейство мезопористых MOF (такими называют структуры с порами диаметром более двух нанометров; количество известных подобных структур гораздо меньше, чем количество микропористых MOF) на основе ионов цинка. Лигандами в опубликованных пяти структурах выступили изофталат, депротонированные двухатомные спирты и 1,4-диазобицикло2.2.2октан.

Структура этих соединений построена из двенадцатиядерных строительных блоков. Серия из пяти изоструктурных соединений получила название NIIC-20 (аббревиатура названия Института на английском языке).

Оказалось, что NIIC-20 обладают очень высокой способностью к сорбции веществ из газовой смеси и вдобавок – рекордной избирательной сорбцией этана по сравнению с этиленом. Из всех пяти структур самые лучшие показатели получены для структуры NIIC-20-Bu, в которой в качестве диольного лиганда применялся 1,2-бутандиол.

Авторы работы надеются, что их соединения найдут свое применение в крупнотоннажной химической промышленности. Работа поддержана грантом РФФИ (проект № 18–19–04001) и грантом РНФ (проект № 19–73–20087).