В Японии создали углеродный материал, способный заметно удешевить улавливание CO2

Улавливание углекислого газа давно рассматривают как один из способов сократить выбросы парниковых газов, но на практике такие технологии всё ещё слишком дороги для широкого внедрения. Одна из главных причин — высокая энергия, необходимая для регенерации сорбента. В классических системах жидкостной аминовой очистки для высвобождения связанного CO2 обычно требуется нагрев выше 100 °C, а это напрямую увеличивает эксплуатационные затраты.

Новая работа исследователей из Университета Тиба (Chiba University) предлагает более экономичный путь. Команда разработала новый класс углеродных материалов — viciazites, в которых азотсодержащие функциональные группы расположены не хаотично, а в строго контролируемых соседних позициях. Результаты опубликованы в журнале «Carbon».

Методы исследования

Авторы создали три варианта таких материалов, каждый — с собственной конфигурацией соседних атомов азота. Для получения соседних первичных аминогрупп (-NH2) они сначала карбонизировали coronene, затем обрабатывали материал бромом и после этого аммиаком. Такой трёхэтапный подход обеспечил селективность 76%. Ещё два варианта содержали соседний пиррольный азот и соседний пиридиновый азот — с селективностью 82% и 60% соответственно.

Полученные материалы наносили на активированные углеродные волокна, а точное расположение функциональных групп подтверждали с помощью ЯМР-спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и вычислительного моделирования. Такой подход был важен не только для синтеза, но и для проверки самой идеи: действительно ли соседнее расположение азотных групп влияет на поведение материала при захвате CO2.

Результаты исследования

Испытания показали, что конфигурация азотных групп действительно имеет значение. Образцы с соседними -NH2-группами и пиррольным азотом улавливали больше CO2, чем необработанные углеродные волокна. А вот материал с соседним пиридиновым азотом заметного выигрыша почти не дал. И это, пожалуй, один из самых важных итогов работы: дело не просто в наличии азота в структуре, а в том, как именно он встроен.

Самый сильный результат связан с десорбцией. Для материалов с соседними аминогруппами большая часть поглощённого CO2 высвобождалась при температурах ниже 60 °C. Это существенно ниже порога, характерного для традиционных технологий, и открывает возможность использовать низкопотенциальное промышленное тепло — например, отходящее тепло производств. Именно здесь и появляется реальный шанс снизить стоимость процесса, причём не на бумаге, а технологически.

Материал с пиррольным азотом требовал более высоких температур для высвобождения CO2, однако, по оценке авторов, может иметь преимущества по долговременной стабильности благодаря более прочной химической структуре. То есть один вариант выглядит более выгодным с точки зрения энергоэффективности, другой — потенциально более устойчивым в длительной эксплуатации.

Комментарии авторов

Руководители работы Ясухиро Ямада (Yasuhiro Yamada) и Томонори Оба (Tomonori Ohba), а также соавтор Кота Кондо (Kota Kondo), подчёркивают, что их задача состояла не просто в создании ещё одного сорбента, а в разработке платформы, позволяющей управлять структурой углеродного материала на молекулярном уровне. По словам Ясухиро Ямады (Yasuhiro Yamada), именно такая структурная точность необходима для создания следующего поколения более дешёвых и эффективных технологий улавливания CO2.

Почему это важно

Работа интересна тем, что переводит область от грубого эмпирического подбора к более рациональному дизайну. Раньше азотсодержащие группы в подобных материалах распределялись случайно, и было трудно понять, какая именно конфигурация действительно улучшает свойства сорбента. Теперь появляется внятная химическая логика: соседние аминогруппы дают особенно выгодный профиль по высвобождению CO2 при низкой температуре, а значит, могут сделать углеродные сорбенты гораздо ближе к промышленной применимости.

Кроме того, авторы отмечают, что такие материалы могут пригодиться не только для улавливания углекислого газа. Благодаря настраиваемым поверхностным свойствам viciazites потенциально можно использовать и для связывания ионов металлов, и в качестве каталитических материалов. То есть это не узкая лабораторная находка на один сценарий, а скорее заготовка под целую линейку прикладных решений.

Заключение

Новое исследование показывает, что эффективность углеродных материалов для захвата CO2 можно повышать не только за счёт общего химического состава, но и за счёт точного позиционирования функциональных групп. Для технологий carbon capture это важный сдвиг: если CO2 удаётся высвобождать уже при температурах ниже 60 °C, то стоимость регенерации сорбента потенциально снижается весьма существенно. До полноценного промышленного внедрения ещё, конечно, есть дистанция. Но направление выглядит сильным — и, что приятно, химически очень аккуратно обоснованным.

Авторы другого исследования отмечают, что экологические выбросы важны не только в контексте климата, но и с точки зрения здоровья человека — подробнее об этом можно прочитать в материале о том, как загрязнение воздуха может негативно сказываться на обучении и памяти детей.

Литература

Kondo K., Uchizono A., Pu L., Takahashi I., Suzuki R., Nakamura S., Kan K., Gotoh K., Soejima T., Sato S., Ohba T., Yamada Y. Viciazites: Carbon materials with adjacent nitrogen functionalities for advanced CO2 capture. Carbon. 2026;254:121405. doi:10.1016/j.carbon.2026.121405