Источником для него оказались молекулы муравьиной кислоты
25 сентября, ТАСС. Японские химики создали наноматериал, который может очень избирательно и быстро извлекать молекулы тяжелого водорода (дейтерия) из смеси обычной воды и муравьиной кислоты. Это технология удешевит многие медицинские реактивы и ускорит развитие ядерной энергетики, считают авторы исследования. Статью с его описанием опубликовал научный журнал Nature Communications.
«Спрос на дейтерий продолжает расти, так как наши коллеги находят все новые применения для этого изотопа, а его использование становится все более широким по всему миру. Япония, в частности, сильно зависит от импорта природных ресурсов, и мы надеемся, что наш катализатор поможет удовлетворить растущие аппетиты человечества», — прокомментировал один из авторов исследования, Хироми Ямасита из Осакского университета (Япония).
Химические близнецы
Одна из самых сложных задач в химии — создание технологий, с помощью которых из природных залежей металлов и других веществ можно извлекать только определенные изотопы или же смеси продуктов ядерных и термоядерных реакций. Как правило, для почти всех существующих подходов нужны большие затраты энергии и других ресурсов. Кроме того, у этих подходов есть много ограничений, которые делают их малопривлекательными с коммерческой точки зрения.
В последние годы химики начали задумываться о создании особых наноматериалов, которые могут пропускать через себя атомы одного изотопа и задерживать все остальные. Аналогичным образом можно создать вещества, которые будут взаимодействовать только с «нужным» типом изотопов и не трогать все остальные атомы.
К примеру, корейские ученые создали два года назад особое «сито» на базе так называемых металлорганических каркасов (МОК), которое пропускает через себя протоны, но удерживает дейтерий, тяжелый изотоп водорода. Подобный подход дал ученым относительно простой метод производства чистого дейтерия и тяжелой воды.
Ловушка для водорода
Ямасита и его коллеги сделали этот процесс еще более дешевым и удобным для применения в химической промышленности. Химики обнаружили идеальный источник дейтерия — молекулы муравьиной кислоты. Это вещество крайне легко производить, оно не токсично и не взрывоопасно, как чистый водород, и при этом в его молекулах много атомов первого элемента таблицы Менделеева.
Некоторые катализаторы, как объясняет химик, могут заставить молекулы муравьиной кислоты распадаться на чистый «легкий» водород и углекислый газ. Эта идея натолкнула японских исследователей на мысль, что можно найти или создать такое соединение, которое будет осуществлять подобную реакцию только для атомов тяжелого водорода.
Их опыты показали, что с этой задачей могут справиться наночастицы из сплава палладия и серебра. Для этого их надо поместить в своеобразную пористую губку или соты из кремния, которые покрыты органическими соединениями азота. Внутри них возникают особые условия, в том числе благоприятные квантовые эффекты, которые помогают формироваться молекулам чистого дейтерия, а не водорода или их смеси.
Текущая версия их катализатора, как отмечают ученые, достигла КПД примерно в 87%, что позволяет извлечь почти весь тяжелый водород из смеси воды и муравьиной кислоты. При этом сами наночастицы не разрушаются и не портятся во время реакции, что заметно удешевляет процесс производства дейтерия и позволяет использовать их в самых разных экспериментах по присоединению его атомов к другим молекулам. Это расширит сферу применения подобных катализаторов и ускорит их проникновение в промышленность и науку, заключают химики.
