МОКС наступает

15:08 / 8 июля 2011

В октябре прошлого года немецкий химический концерн BASF сообщил о разработке первой в мире технологии промышленного синтеза металл-органических каркасных структур (metal organic frameworks, MOFs). До последнего времени высокая стоимость этих соединений, производимых небольшими партиями под торговым названием "Базолайт" была главным сдерживающим фактором на пути их коммерциализации. Теперь же, с внедрением крупнотоннажного синтеза, появилась уверенность, что уникальные свойства МОКС наконец-то смогут найти применение в повседневной жизни.

Как пишет журнал "Коммерсант-Наука", металл-органические каркасные соединения, иногда называемые "кристаллическими губками", представляют собой микропористые твердые вещества с необычайно высокой площадью доступной внутренней поверхности. По этому показателю, как правило, напрямую связанному с эффективностью процессов сорбции, МОКС значительно опережают цеолиты и активированные углеродные материалы, бывшие до недавнего времени "королями" в мире сорбентов.

Другими отличительными чертами МОКС являются простота получения и почти безграничные возможности их модификации. Нагревание вместе растворов солей различных металлов и органических молекул определенного типа приводит к образованию мелкокристаллических осадков, напоминающих на молекулярном уровне бесконечные строительные леса, в которых роль узловых точек играют ионы металла, а роль горизонтальных и вертикальных опорных труб выполняют органические молекулы.

Используя комбинации из десятков доступных металлов и сотен подходящих органических молекул, ученые имеют возможность целенаправленно "настраивать" свойства синтезируемых МОКС на решение конкретных задач. Заложенная в самой концепции МОКС возможность создания молекулярных "причальных станций", на которых бы осуществлялась физическая или химическая сорбция нужных молекул, является одним из главных преимуществ МОКС по сравнению с цеолитами и активированными углеродными материалами.

Потенциал использования МОКС настолько многообещающий, что ретикулярная химия (reticular chemistry), изучающая свойства металл-органических каркасных соединений, стала одной из самых быстрорастущих областей современной химии.

Металл-органические каркасные структуры, избирательно сорбирующие другие, в том числе и ядовитые, газы и соединения, хорошо известны, что делает МОКС перспективными материалами для изготовления фильтров и мембран.

Однако сейчас внимание ученых сосредоточено главным образом на металл-органических каркасных соединениях как сорбентах, способных обратимо поглощать и высвобождать различные газы. Водород и метан представляют особый интерес, поскольку в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания именно они могут составить конкуренцию жидким углеводородам. Водород мог бы стать идеальным, экологически чистым источником энергии для автомобилей - при наличии компактной и безопасной системы его хранения. Но существующие решения (они используют сжатый или сжиженный водород) не могут рассматриваться в качестве серьезной альтернативы традиционным бензиновым или дизельным установкам.

Одним из возможных выходов является использование таких сорбирующих материалов, которые позволили бы хранить водород при комнатной температуре и давлении не более 100 атмосфер - в количестве, достаточном для пробега в 450 километров без дозаправки. По сообщениям ученых, уже синтезированы образцы МОКС с достаточными для этого показателями. Однако, пока, увы, только при температурах порядка -200°С. Криогенные системы слишком громоздки и энергозатратны, но если бы удалось повысить температуру до -40°С, у автомобилей на водороде появился бы хороший шанс.

Дешевый, более энергоемкий и производящий меньше вредных выхлопов, чем дизель или бензин, метан в среднесрочной перспективе выглядит единственным достойным конкурентом последних. В существующих автомобильных газотопливных системах природный газ хранится при давлении свыше 200 атм, что предъявляет высокие требования к надежности баллонов. Как и в случае с водородом, использование метан-сорбирующих материалов могло бы улучшить технические показатели этих систем.

В пресс-релизе компании БАСФ сообщается не только о разработке промышленного производства МОКС, но и начале испытаний коммерческих грузовиков с газобаллонными установками, содержащими МОКС в качестве сорбентов. По словам компании, их использование позволяет хранить вдвое больше метана и, соответственно, в два раза увеличить пробег до заправки. Другим преимуществом может стать снижение рабочего давления с 200 до 35 атм, что позволит отказаться от дорогостоящих стальных баллонов в пользу пластиковых. Учитывая все это, можно не сомневаться, что скоро металл-органические каркасные соединения станут неотъемлемой частью метановых газотопливных автомобилей.

Открытым вопросом остается себестоимость промышленного производства МОКС. Сейчас на пилотных установках компании БАСФ производится пять различных МОКС, исходные вещества для которых относятся к разряду дешевых продуктов крупнотоннажного синтеза. Нельзя исключать, что синтез других МОКС может оказаться весьма затратным, но, пока что возможность коммерческого производства МОКС по доступной цене выглядит вполне реальной.

Использование МОКС не ограничивается миром автомобилей и процессами очистки и хранения газов. Катализ, природоохранные и медицинские технологии, новые оптические и магнитные материалы - лишь некоторые из областей применения металл-органических каркасных структур. Продолжающиеся интенсивные изыскания как в университетских, так и в промышленных лабораториях представят еще не один повод вернуться к рассказу о МОКС.

RUPEC в Telegram

Читать другие спецпроекты

0 комментариев

Авторизуйтесь чтобы оставить комментарий - Вход