Ученые из Национального университета Сингапура разработали новый материал для прямого улавливания углекислого газа из атмосферы. Это твердый сорбент в форме миллиметровых кубиков, способный поглощать CO₂ в три раза эффективнее существующих аналогов.
Главная проблема современных систем прямого улавливания – их громоздкость. Большинство сорбентов существуют в виде порошка, который неудобен для промышленного использования. Такая форма создает высокое сопротивление потоку воздуха и быстро разрушается. Попытки превратить такие материалы в гранулы или блоки с помощью связующих веществ обычно приводят к потере эффективности – добавки частично перекрывают поры, и газ хуже проникает внутрь.
Сингапурские исследователи нашли элегантное решение на уровне самой структуры материала. Они взяли особый нанопористый аморфный углерод, полученный методом искрового плазменного спекания. Это позволило сформировать прочный каркас с системой взаимосвязанных пор. Затем материал пропитали полиэтиленимином – соединением, которое химически связывает CO₂.
Ключевую роль сыграла трехмерная сеть пор, пронизывающая весь материал. В отличие от цилиндрических каналов обычных материалов, эта сетка не имеет тупиков и позволяет газу свободно перемещаться даже после того, как поры заполнены активным веществом.
Чтобы придать материалу удобную форму, ученые смешали его с водой, небольшим количеством глины и связующим – карбоксиметилцеллюлозой. Полученную пасту отлили в кубики размером 2-5 милиметров и высушили без дополнительного прессования. При этом молекулы связующего оказались слишком крупными, чтобы проникнуть внутрь пор: они фиксировали структуру снаружи, не мешая работе внутренней поверхности. В результате материал сохранил высокую пористость и одновременно приобрел достаточную механическую прочность.
Испытания в условиях, близких к реальным (влажность около 75% и концентрация CO₂ порядка 500 ppm), показали, что такие кубики способны поглощать до 1,6 миллимоля CO₂ на кубический сантиметр объема. Это более чем втрое превышает показатели лучших промышленных сорбентов. При этом материал сохраняет стабильность: в ходе многократных циклов поглощения и регенерации его эффективность практически не снижается.
Высокие показатели объясняются оптимальной архитектурой пор. Их размер (около 4 нанометров) позволяет эффективно размещать молекулы полимера, не блокируя при этом доступ газа. Толщина слоя активного вещества составляет порядка 7 нанометров – этого достаточно для связывания CO₂, но недостаточно для перекрытия каналов. Для сравнения, в традиционных материалах полимер часто скапливается на поверхности более толстым слоем и фактически «запечатывает» поры, снижая эффективность.
Разработанный материал сочетает высокую плотность (0,8 г/см³), прочность (4,5 МПа на сжатие) и отличную диффузию газа. По мнению исследователей, такие сорбенты позволят создавать установки прямого улавливания размером с обычный контейнер вместо огромных ангаров, что сделает технологию доступной для массового применения в борьбе с изменением климата.
