На иллюстрации: модель мембраны из цеолита с ионами натрия в составе

Метанол является универсальным и эффективным соединением, используемым в качестве топлива или субстрата при производстве продуктов органического синтеза. В то же время, углекислый газ (CO₂) – это парниковый газ, который является нежелательным побочным продуктом многих промышленных процессов.

Преобразование CO₂ в метанол – это один из способов эффективного использования CO₂. В исследовании [Huazheng Li et al, Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aaz6053], опубликованном в Science, инженеры-химики из Политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute) продемонстрировали, как сделать процесс превращения CO₂ в метанол более продуктивным, используя созданную ими высокоэффективную разделительную мембрану. Этот прорыв, по мнению исследователей, может улучшить ряд промышленных процессов, которые зависят от химических реакций, в которых вода является побочным продуктом.

Например, в химической реакции, ответственной за превращение CO₂ в метанол, побочным продуктом также выступает, что серьезно ограничивает протекание реакции. Команда Института Ренсселера задалась целью найти способ отфильтровывать воду по мере протекания реакции, не теряя при этом других необходимых компонентов смеси.

Исследователи собрали мембрану, состоящую из ионов натрия и кристаллов цеолита, которая была способна быстро переносить молекулы воды через микропоры, не затрагивая при этом углекислый газ.

«Натрий действительно может регулировать или настраивать газопроницаемость. Как будто ионы натрия стоят у «ворот» и пропускают только воду. Когда к «воротам» подступает инертный газ поступает, ионы блокируют газ», – сказал Мяо Юй (Miao Yu), профессор кафедры химической и биологической инженерии и член Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований (CBIS) в Институте Ренсселера, возглавляющий это исследование.

В прошлом этот тип мембраны был восприимчив к дефектам, которые позволили бы другим молекулам газа просочиться наружу. Команда Мяо Юя разработала новую стратегию оптимизации сборки кристаллов, которая устранила эти дефекты. Команда обнаружила, что, когда вода эффективно удалялась из реакционной среды, химическая реакция протекала очень быстро.

«Когда мы удаляем воду, равновесие сдвигается вправо, а это означает, что будет преобразовано больше CO₂ и, соответственно, произведено больше метанола», – сказал Хуачжэн Ли (Huazheng Li), исследователь Института Ренсселера, автор статьи.

«Это исследование является ярким примером значительного вклада профессора Юя и его команды в решение междисциплинарных проблем в области воды, энергетики и окружающей среды. Разработка и внедрение таких специализированных мембран обещают быть высокоэффективными и практичными», – сказал Дипак Вашишт (Deepak Vashishth), директор CBIS.

В настоящее время команда работает над созданием масштабируемого процесса и стартапа, который позволил бы использовать эту мембрану в коммерческих целях для производства метанола высокой чистоты.

Юй сказал, что эта мембрана также может быть использована для улучшения ряда других реакций.

«В промышленности так много реакций, ограниченных водой, – сказал Юй. – Это единственная мембрана, которая может работать очень эффективно в жестких условиях реакции».