В качестве возможного решения называют использование эффективных сорбентов – “контейнеров”, которые способны захватывать, хранить и транспортировать CO₂. В ряду предполагаемых материалов можно обнаружить цеолиты, ковалентные органические каркасы и, конечно, фуллерены. Причем, чаще всего, не традиционные углеродные фуллерены, а квазифуллерены, построенные из атомов бора. Так, простейшие борные фуллерены, в частности, имеют высокое отношение площади поверхности к объему и достаточно пористую структуру, что делает их перспективными материалами для поглощения углекислого газа.

В работе [1] ученые из Univ. of Maragheh (Иран) с помощью теории функционала плотности исследовали процесс адсорбции молекул CO₂ на борном фуллерене B₃₈, оценили устойчивость комплексов при различных температурах и давлениях, а также проанализировали способность B₃₈ удалять углекислый газ из бинарных смесей. В качестве последних они рассмотрели CH₄+CO₂, H₂+CO₂ и N₂+CO₂. Все расчеты с использованием теории функционала плотности авторы выполнили в программном пакете DMol³. Выбранный уровень теории включал функционал PBE с дисперсионными поправками для учета слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия (PBE-D2) и базисный набор DNP. В результате авторы установили, что возможны три различных конфигурации, когда CO₂ физически адсорбируется на поверхности B₃₈.

Во всех этих случаях молекула газа сохраняет линейную геометрию, при этом один из атомов кислорода направлен в сторону фуллереновой клетки. Дальнейшие расчеты свидетельствуют, что CO₂ также способен хемосорбироваться на каркас B₃₈, преодолев небольшой активационный барьер (40.77–49.13 кДж/моль). При этом молекулы, изгибаясь, претерпевают структурную деформацию (см. рис), и двойная связь С=О трансформируется в одинарную.

Атомные структуры и соответствующие энергии адсорбции (кДж/моль) молекул углекислого газа
(от двух до восьми), адсорбированных на поверхности квазифуллерена B₃₈.

Авторы отмечают, что энергетически наиболее благоприятной является адсорбция СО₂ на связи В–В, входящей в шестичленное кольцо на поверхности фуллерена. Расчеты показывают, что B₃₈ способен эффективно улавливать до восьми молекул CO₂ (см. рис.). Таким образом, максимальная предсказанная адсорбционная способность фуллерена составляет 46 масс. % или 19.5 моль/кг(B₃₈), что превышает известные величины для ряда твердых сорбентов, например, металлоорганического каркаса MIL-53(Al) или цеолита 13X. Однако если отступить от идеализированных условий, то эти величины оказываются чуть более скромными. Так, при нормальном давлении (0.1 МПа) адсорбционная емкость B₃₈ составляет уже 17.04 и 2.43 моль/кг(B38) при 200 и 300 K, соответственно. Однако авторы отмечают, что комплекс B₃₈ с адсорбированными молекулами CO₂ может оставаться устойчивым даже при комнатной температуре и давлении до 10 МПа. Для оценки способности фуллерена B₃₈ отделять молекулы СО₂ из газовых смесей CH₄+CO₂, H₂+CO₂ и N₂+CO₂ исследователи рассчитали энергии адсорбции молекул метана, водорода и азота. Оказалось, что эти газы связываются с поверхностью фуллерена с помощью механизмов физической адсорбции. При этом бóльшая по абсолютной величине энергия адсорбции CO₂ по сравнению с молекулами H₂, N₂ и CH₄ свидетельствует, об эффективности B₃₈ в качестве материала для отделения молекул CO₂ из различных газовых смесей, что положительным образом скажется на процессах очистки последних.

М. Маслов

1. M.D.Esrafili et al., Chem. Phys. Lett. 790, 139361 (2022).