Российские ученые разработали тонкие мембраны из синего художественного пигмента берлинской лазури, которые помогают получить чистый аммиак. Мембраны при этом играют роль сита, избирательно пропускающего через себя молекулы только этого газа, но не азота и водорода, из которых его синтезируют. Новый метод облегчит и удешевит технологию получения аммиака для азотных удобрений, лекарств и ракетного топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Membrane Science.
Полимерные мембраны все чаще используются для разделения смесей различных газов. С их помощью ученые получают чистый водород, кислород и азот. При этом мембраны должны совмещать два отчасти противоречивых свойства: проницаемость для одних молекул и селективность, то есть способность удерживать, для других. Только правильное их соотношение обеспечит эффективность такого «сита». Химики нашли решение этой задачи: нужно подбирать материал для мембраны так, чтобы в его составе были переносчики — атомы, молекулы или ионы, — которые будут помогать проходить через слой только определенному газу.
Исследователи из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) создали мембрану, отделяющую аммиак от других газов, из гексацианоферратов. Эти соединения хорошо известны художникам, поскольку именно они входят в состав синего пигмента под названием берлинская лазурь. Это первый в истории синтетический краситель, открытый еще в начале XVIII века. Чистый аммиак необходим в промышленности для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарств и ракетного топлива. Обычно его синтезируют из смеси азота и водорода, последовательно нагревая и охлаждая ее. Такая технология крайне энергозатратна, поэтому новый метод станет достойной альтернативой.
Химики закрепили мембрану из берлинской лазури на пластинах из пористого оксида алюминия, покрытого тонким проводящим слоем золота. Полученные тонкие пленки (примерно в две тысячи раз тоньше человеческого волоса) выполняли роль фильтра, пропускающего через себя только аммиак. Мембрана отделяла этот газ благодаря тому, что протоны, имеющиеся в каркасной структуре пигмента, связывались с аммиаком, превращая его в ион аммония, и помогали проходить через пленку. Дело в том, что ион аммония по размеру меньше, чем молекулы аммиака, азота и водорода, которые имелись в разделяемой смеси. Поэтому только они проходили через поры мембранного фильтра.
«Разработанные нами пленки на основе берлинской лазури помогут упростить и удешевить производство аммиака. В дальнейшем мы планируем создать мембраны, проницаемостью которых можно будет управлять. Для этого нужно понять, как те или иные физические воздействия, например, напряжение, свет или влажность изменяют свойства материала», — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Дмитрий Петухов, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета и ассистент кафедры наноматериалов факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.