Ковалентні органічні каркаси — перспективні матеріали для зберігання водню

Кристалічний шар ковалентного органічного каркаса COF-5 (малюнок Адріана Коте з сайту www.umich.edu)

У Мічиганському університеті створено новий клас легких твердих полімерних матеріалів, який може стати основою для безпечного зберігання водневого палива.

За елементним складом новий матеріал не відрізняється від звичайних пластмас. Однак на молекулярному рівні він має зовсім іншу структуру. При виготовленні звичайних твердих пластмас довгі полімерні молекули дуже швидко і хаотично з’єднуються між собою. Це ускладнює теоретичне вивчення і цілеспрямовану корекцію їх властивостей.

Як повідомляється в прес-релізі Мічиганського університету, група під керівництвом Адріана Коте (Adrien C^ té) істотно сповільнила протікання цих реакцій. В результаті вдалося домогтися формування регулярної полімерно-кристалічної структури. Окремі мономери зв’язуються в плоску решітку ковалентними хімічними зв’язками. Методом рентгеноструктурного аналізу було визначено, що структура, яка формується, зовні нагадує шестикутну кристалічну решітку графіту.

Отримані кристали назвали ковалентними органічними каркасами (covalent organic frameworks, COFs). Матеріали витримують температури до 500-600 ° С, а оскільки каркаси утворені не атомами, а молекулами, в них залишається досить багато місця — характерні розміри комірок становлять від 7 до 27 ангстрем. Завдяки такій нанопористості ковалентні органічні каркаси мають дуже велику площу внутрішньої поверхні — від 700 до 1600 квадратних метрів на один грам речовини. Це дозволяє зберігати в комірках велику кількість водню. Свої результати група Адріана Коте опублікувала в журналі Science.

Раніше група Омара Яги (Omar Yaghi) з того ж Мічиганського університету створила аналогічні матеріали, що отримали назву метал-органічних каркасів (MOFs). У них атоми металу знаходяться у вузлах решітки і з’єднуються перемичками з органічних молекул. Ковалентні органічні каркаси були створені завдяки співпраці двох груп. Нові матеріали помітно перевершують MOFs за площею поверхні на одиницю маси. Зниження ваги важливе з урахуванням потенційного застосування цих матеріалів для зберігання палива в майбутніх водневих автомобілях.