2022-04-08

Поймать углекислый газ

Несмотря на то, что за последние десятилетия были предприняты существенные усилия по минимизации выбросов парниковых газов в атмосферу, о чем свидетельствуют такие межправительственные документы как Киотский протокол и Парижское соглашение, постоянно растущая концентрация углекислого газа в атмосфере, образующегося при сжигании ископаемого топлива, продолжает оставаться серьезной международной экологической проблемой.

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).



PhysReal • Физическая реальность

Администрация не несет ответственности за достоверность информации, опубликованной в рекламных объявлениях. Материалы, опубликованные в блогах, отражают позиции их авторов, которые могут не совпадать с мнением редакции. Использование публикаций сайта разрешается при наличии прямой ссылки на PhysReal.
Контактный E-mail:

Telegram: https://t.me/physreal
ВКонтакте: https://vk.com/physreal
RSS (XML): Новости физики

Copyright © 2022 Development by Programilla.com