Гелий – второй по распространенности газ во Вселенной после водорода, его массовая доля составляет 24–25%. Однако концентрация этого газа в атмосфере Земли очень мала – не более 0,0005%. Поэтому основным источником промышленного получения гелия является природный газ, для переработки которого используются криогенный, адсорбционный и мембранный методы. Криогенный способ сводится к разделению газа на компоненты – азот, метан, этан, пропан, бутан и гелий – при экстремально низких температурах. В свою очередь, адсорбционный способ предполагает фильтрацию гелий-содержащей газовой смеси через колонку с адсорбентом, в результате чего последний «впитывает» примеси (в том числе гелий), а на выходе получается «чистый» газ. Наконец, при мембранном разделении газа используются мембраны, которые либо задерживают примеси (азот и метан) и пропускают только гелий, либо пропускают примеси, оставляя гелий на входе.
Перспективными материалами для получения гелия являются металлорганические координационные полимеры (МОКП). Они представляют собой пористые материалы, состоящие из металлических кластеров, соединенных между собой органическими структурными единицами. Комбинирование МОКП позволяет получать различные кристаллические структуры, в пористом пространстве которых происходит разделение газа. Таких комбинаций — десятки миллионов. Ученые из Института катализа СО РАН провели скрининг десяти тысяч вариантов соединений, чтобы определить, какие параметры влияют на эффективность МОКП.
«По результатам скрининга нам удалось выделить шесть структурных дескрипторов, которые влияют на эффективность материала в процессе как адсорбционного, так и мембранного газоразделения гелий-содержащих смесей. Это лимитирующий размер пор, наибольший диаметр полости, доступная площадь поверхности, доступный объем пор, плотность и пористость. И если наша структура попадает в этот диапазон, то можно ожидать, что она будет крайне эффективна для выделения гелия», – цитирует Институт катализа СО РАН научного сотрудника отдела материаловедения и функциональных материалов Ивана Гренёва.
Большинство международных исследований посвящены поиску мембранных материалов, селективных по гелию, однако при этом на втором плане остается обратный процесс – селективность по азоту и метану, когда мембрана пропускает их, задерживая нужный газ. Исследование Института катализа СО РАН продемонстрировало, что металлорганические полимеры, которые одновременно являются селективными по метану и азоту, более перспективны, чем материалы, селективные по гелию.
