«Зеленые» растворители помогут снизить углеродный след от деятельности человека

Химики получили экологически безопасные недорогие смеси — глубокие эвтектические растворители, — способные поглощать углекислый газ. По эффективности улавливания углекислого газа новые смеси сопоставимы с коммерчески используемыми поглотителями, но при этом они экономичнее в использовании и экологичнее. Благодаря этому предложенные растворители перспективны для борьбы с выбросами углекислого газа в атмосферу и изменением климата. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Molecular Liquids.

В 2023 году выбросы углекислого газа в атмосферу Земли достигли рекордных 40 миллиардов тонн, главным образом из-за активного использования ископаемых источников энергии, таких как газ, нефть и уголь. Высокий уровень углекислого газа в атмосфере напрямую способствует изменению климата и усиливает глобальное потепление. Для борьбы с этой проблемой правительства стран, в том числе России, активно ищут пути сокращения углеродного следа. Сделать это можно с помощью технологий улавливания, хранения и дальнейшего использования углерода. Например, чаще всего углекислый газ улавливают, пропуская содержащую его газовую смесь через раствор аминов. Они связывают углекислый газ, тем самым очищая от него смесь. В дальнейшем раствор можно нагреть, и амины высвободят захваченный углекислый газ обратно — тогда его можно будет использовать в химическом синтезе, например, при производстве топлива, мочевины и спиртов.

Однако такой подход имеет недостатки: оборудование под действием подобных реакций подвергается коррозии, а для восстановления и повторного использования растворителя нужно много тепловой энергии. Поэтому в качестве альтернативы ученые рассматривают так называемые глубокие эвтектические растворители — нетоксичные и стабильные смеси из двух и более компонентов, связанных между собой сильной водородной связью. Одним из их компонентов часто выступает хлорид холина — природная биосовместимая, биоразлагаемая и дешевая соль. Другие компоненты можно менять, «настраивая» физические и химические свойства смеси.

Химики из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново) исследовали способность смесей хлорида холина с аминами и амидами (азотсодержащими органическими соединениями) улавливать углекислый газ. Такие составы авторы выбрали, так как, согласно предсказаниям алгоритмов машинного обучения, они должны эффективно поглощать углекислый газ.

Для приготовления растворителей хлорид холина, амины или амиды смешивали, затем полученные смеси грели при 70°С и перемешивали в течение шести часов. Готовые растворы по очереди помещали в экспериментальную ячейку, куда определенными порциями подавался углекислый газ. По изменениям массы эвтектических смесей авторы оценивали, сколько углекислого газа каждая из них поглотила.

Эксперименты показали, что смеси, содержащие амины, в 50 раз лучше улавливают углекислый газ, чем растворители с амидами. Чтобы объяснить такие результаты, авторы исследовали механизм взаимодействия углекислого газа с каждым из растворителей. Для этого использовали теоретический подход — квантово-химические расчеты, — а также экспериментальные методы — ядерный магнитный резонанс и различные варианты спектроскопии. Они позволили оценить структурные изменения в эвтектической смеси до и после поглощения газа.

Оказалось, что растворители на основе холина и аминов вступают в химическое взаимодействие с углекислым газом, образуя стабильные промежуточные продукты. Растворители с амидами, напротив, только физически растворяют углекислый газ: в этом случае новых соединений не образуется, а между растворителем и газом формируются только слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия. Ученые пришли к выводу: смеси холина с аминами могут служить многообещающей альтернативой существующим более дорогим и менее экологичным системам улавливания углекислого газа.

«Смесь хлорида холина с одним из аминов по эффективности сопоставима с водными растворами аминов, но более экологична и требует меньших энергетических затрат на регенерацию поглотителя. В дальнейшем мы планируем продолжить поиск еще более эффективных смесей для улавливания углекислого газа из источников выбросов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Аркадий Колкер, доктор химических наук, главный научный сотрудник ИХР РАН.

На основании проведенных экспериментов авторы также предложили модель, с помощью которой можно прогнозировать эффективность различных поглотителей на основе хлорида холина. Она очень проста, поскольку включает всего три параметра: температуру, давление и свободный объем смеси. Такая предсказательная модель может использоваться для поиска новых экологически чистых эвтектических растворителей для поглощения углекислого газа.