Ученые создали мембрану, которая позволяет быстрее и эффективнее получать аммиак, необходимый для производства азотных удобрений, красителей, лекарств и ракетного топлива. Для этого они использовали пигмент «берлинская лазурь» — краситель синего цвета, который появился в Германии 200 лет назад.

Статья опубликована в издании Journal of Membrane Science. Исследования поддержаны грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).

Аммиак (NH₃) широко применяется в химической промышленности. Он используется при получении соды, взрывчатых веществ, азотной кислоты, удобрений, красителей, ракетного топлива и ряда лекарств. Чтобы получить аммиак, химики пропускают смесь азота и водорода через нагретый катализатор под высоким давлением, а затем охлаждают, чтобы отделить вещество от исходных реагентов. Однако очистка аммиака таким способом очень энергозатратна, так как весь объем газа, который выходит из реактора, требуется охладить до низких температур, и поэтому ученые всего мира ищут альтернативные пути.

В недавно опубликованной работе химики МГУ имени М.В. Ломоносова (Москва) предложили использовать для отделения аммиака от других газов тонкие пленки каркасных структур — гексацианоферратов, известных как синий пигмент «берлинская лазурь».

Это первый в истории синтетический краситель, открытый еще в начале XVIII века. Изначально он пользовался огромной популярностью у художников, будучи гораздо более дешевым в производстве, чем его аналог из лазурита — натуральный ультрамарин. Со временем же область применения берлинской лазури расширилась: теперь ее используют в лакокрасочной и легкой промышленности, медицине и ветеринарии, а также в разных областях науки (например, недавно на ее основе разработали искусственный фермент).

«За последние десятилетия добились огромного прогресса в разделении газов с помощью полимерных мембран. Однако совершенствование этих материалов достигло предела по соотношению проницаемости и селективности. При использовании полимеров приходится выбирать между способностью мембраны быстро пропускать через себя нужные вещества и тем, насколько эффективно она задерживает то, что нужно отсеять. Мы же нашли способ обойти это ограничение, создав каркасную структуру, которая сама взаимодействует с нужным нам газом и за счет химического превращения облегчает его прохождение через мембрану», — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Дмитрий Петухов, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета и ассистент кафедры наноматериалов факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова.

На пластинах из специально подготовленного пористого оксида алюминия с проводящим слоем золота химики сформировали ультратонкие пленки берлинской лазури. Они примерно в две тысячи раз тоньше человеческого волоса (от 15 до 50 нанометров) и выполняют роль селективного слоя мембраны, который взаимодействует с газовой смесью. Каркасная структура берлинской лазури содержит переносчики — протоны, — которые, связываясь с аммиаком, облегчают его прохождение через мембрану.

Это происходит потому, что размер иона аммония (NH⁴⁺), образующегося в результате такого взаимодействия, оказывается меньше, чем у исходной молекулы аммиака. Азот и водород, присутствующие в смеси, также не проходят через каналы в структуре мембраны. Такая стратегия позаимствована у природы: в живых организмах есть специальные транспортные белки, которые переносят внутрь клетки небольшие молекулы или ионы.

«Высокопроизводительные мембраны, способные быстро и эффективно разделять компоненты смесей, могут произвести революцию во многих важных технологических процессах. Использование новых мембран при синтезе и очистке аммиака позволит существенно сократить энергоемкость этой процедуры и в итоге значительно удешевить ее», — заключил Дмитрий Петухов.

В дальнейшем ученые планируют разработать «умные» мембраны, селективностью и проницаемостью которых можно было бы управлять не только на этапе синтеза, но и в процессе разделения в газовой или жидкой среде. Возможность изменять ключевые характеристики мембраны — за счет подачи напряжения, облучения светом или других физических воздействий — позволит сделать процесс более эффективным в случае изменения состава сырьевой смеси.