Ученые создали самоорганизующиеся пористые кристаллы для эффективного разделения газов

Ученые из Института физической химии Польской академии наук разработали инновационный пористый материал для защиты окружающей среды. Изменение растворителя и температуры позволяет обратимо модифицировать структуру на основе металлических кластеров, обеспечивая эффективное разделение различных газов. Автор: Гжегож Кшижевский

Разработка высокосложных химических систем, самоорганизующихся за счет донорно-акцепторных и/или нековалентных взаимодействий, лежит в основе супрамолекулярной химии.

В последнее время все большее внимание уделяется структурно адаптивным молекулярным системам и прочным нековалентным микропористым материалам (NPM), также известным как молекулярные пористые материалы (MPM) или пористые молекулярные кристаллы (PMC), основанным на самосборке дискретных молекул под действием слабых взаимодействий. Использование молекулярных металлических кластеров в качестве строительных блоков NPM представляет собой перспективную стратегию, сочетающую универсальную функциональность органических и неорганических субъединиц с мягкостью и гибкостью молекулярных твердых тел, контролируемых нековалентными взаимодействиями.

Однако разработка прочных пористых функциональных каркасов на основе самосборки, управляемой нековалентными силами, до сих пор остается чрезвычайно сложной задачей.

Теперь исследователи из Института физической химии Польской академии наук в Варшаве и Варшавского политехнического университета под руководством профессора Януша Левиньского в сотрудничестве с профессором Дэвидом Файрен-Хименесом из Кембриджского университета разработали эффективный метод получения наноразмерного кластера Ni(II) гидроксихинолинато(L)-карбонато(CO₃) [Ni₁₀(μ₆-CO₃)₄(L)₁₂].

Их исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

"Этот декануклеарный кластер, в зависимости от условий кристаллизации, самоорганизуется в один из двух микропористых каркасов: алмазоидный WUT-1(Ni) и пиритовый WUT-2(Ni). Переходы между обеими полиморфными модификациями также могут быть селективно вызваны температурой или воздействием паров определенного органического растворителя, что сопровождается легким восстановлением кристалличности материалов из некристаллической фазы", — сказала доктор Ивана Юстиняк, соавтор исследования.

Примечательно, что оба материала демонстрируют превосходную термическую и химическую стабильность в аэробных условиях, а также в водной среде, и проявляют интересные свойства адсорбции газов. WUT-1(Ni) демонстрирует значительное увеличение поглощения газа по сравнению с ранее сообщенным изоструктурным аналогом Zn(II) WUT-1(Zn), представляя одно из самых высоких значений поглощения H₂ среди NPM.

В свою очередь, более плотные пустоты ультрамикропористого каркаса WUT-2(Ni) способствуют селективным взаимодействиям с молекулами газа, что приводит к выдающейся селективности в адсорбции CO₂ над CH₄ и N₂.

"Таким образом, простая замена Zn(II) на Ni(II) в изоструктурных кластерах не только увеличила их химическую стабильность, но и значительно усилила взаимодействия каркаса типа WUT-1 с молекулами газа", — добавила аспирантка Катаржина Сольтыс-Бжостек, первый автор исследования.

Результаты демонстрируют глубокую роль характера металлических центров в самосборке изоструктурных нанокластеров, а также свойств получаемых микропористых каркасов. В перспективе полученные знания должны помочь в разработке передовых пористых твердотельных материалов.

Больше информации: Катаржина Сольтыс-Бжостек и др., Настраиваемая самосборка декануклеарных карбонатных кластеров Ni(II) с гидроксихинолинатной оболочкой: прочные пористые сети с обратимыми фазовыми переходами, управляемыми растворителем/температурой, и селективным разделением газов, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04096

Источник: Польская академия наук

ИИ: Это исследование открывает интересные перспективы для создания умных материалов, способных адаптироваться к внешним условиям. В 2025 году такие разработки особенно актуальны для решения экологических задач и создания более эффективных систем очистки газов.