Исследователи Томского политехнического университета вместе с коллегами из Чехии нашли способ использования атмосферного углекислого газа для получения циклических карбонатов. Это органические соединения, которые применяют как электролиты литий-ионных батарей, «зеленые» растворители, а также при создании лекарств. Ученым удалось синтезировать карбонаты под действием света и при комнатной температуре, в то время как традиционные методы предполагают синтез при высоком давлении и температуре.

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A (IF:11,301; Q1).

«Увеличение уровня углекислого газа в атмосфере — глобальная экологическая проблема. Для ее решения обычно концентрируются на мерах для снижения выбросов СО₂. Альтернативным вариантом является использование углекислого газа, который уже есть в атмосфере, для полезных химических превращений. Так, мы впервые предложили метод, позволяющий под действием света получать широко востребованные циклические карбонаты. Чаще всего подобные реакции проводят под высокими температурами — от 60 до 150 °С — и повышенном давлении СО₂ вплоть до 25 атмосфер. Это значит, что в технологической цепочке нужно дополнительное оборудование для сжатия углекислого газа и нагрева, то есть его нельзя просто взять из воздуха», — говорит один из авторов статьи, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Ольга Гусельникова.

В экспериментах ученые получали циклические карбонаты при взаимодействии углекислого газа и исходных веществ — эпоксидов.

«Но сначала нам нужно было «поймать» СО₂. Для этого мы использовали наночастицы золота с привитыми органическими молекулами азотистого основания. Они играли роль «ловушек» для молекул углекислого газа, при этом никак не реагируя с другими веществами. Эксперименты показали, что они эффективно захватывают СО₂ прямо из воздуха. Суспензию из таких наночастиц и «захваченного» углекислого газа мы и смешивали с эпоксидами», — поясняет доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Эту смесь исследователи облучали инфракрасным светом.

«Наночастицы золота обладают плазмонным эффектом. То есть под действием света рядом с ними возбуждаются квазичастицы плазмоны, они выступают спусковым крючком для реакции. Они трансформируют энергию света в энергию, необходимую для реализации химической реакции. И именно они за счет своих особенностей позволили провести реакцию при нормальных условиях. Кстати, сам по себе вопрос о механизмах плазмонной химии, как именно плазмоны запускают химические процессы, как это работает, — горячая научная тема. Этому направлению исследований посвящен ряд наших предыдущих статей. Контрольные эксперименты позволили нам предположить, что возбуждение плазмона на частицах ведет к передаче энергии на захваченную молекулу CO₂ без участия нагрева», — говорит Ольга Гусельникова.

Как отмечают авторы статьи, по скорости процесс синтеза сопоставим с аналогичными методами, при этом не требует сложного специального оборудования.

«Весь процесс занимает порядка 24 часов, обычные показатели для других методов варьируются в районе 12–24 часов. Сейчас мы начали с маленьких объемов и получили несколько миллилитров циклических карбонатов. Однако в статье мы уже продемонстрировали, что метод может быть масштабирован как минимум в пять раз, и сами наночастицы могут быть использованы повторно без потери активности. В то же время каталитические показатели нашей плазмонной системы одни из самых высоких из известных для данной реакции. Но самое важное — это как раз демонстрация возможности, что реакцию можно проводить прямо с использованием воздуха без дополнительной очистки или концентрирования СО₂ при нормальных условиях под действием света. А это всегда в конечном итоге делает синтез более простым и экологичным», — добавляет Павел Постников.

Исследование проводилось совместно с учеными из Университета химии и технологии Праги и Университета Яна Пуркине (Чехия) при поддержке Российского научного фонда.