Получение биополимера и полимеров из углекислого газа с использованием ионной жидкости на дендритно-волокнистом наносиликате

Преобразование климатической проблемы в повседневные материалы

Углекислый газ (CO2) обычно рассматривают как виновника климатических изменений, но это также богатое, неиспользованное сырье. В данном исследовании рассматривается возможность превращения CO2 в полезные пластики и биопластики при относительно мягких условиях с применением умного, перерабатываемого твердого каталитического материала. Работа указывает на более чистые способы получения материалов для упаковки, покрытий и пен, одновременно утилизируя отходный газ, который согревает планету.

Новый метод синтеза пластиков из отходного газа

Большинство современных пластов получают из ископаемого сырья, часто с применением агрессивных химикатов и энергоемких операций. Химикам давно известно, что CO2, в принципе, можно встраивать в полимерные цепи, но существующие методы обычно требуют высоких давлений, высоких температур и катализаторов, которые трудно извлечь и повторно использовать. В этом исследовании авторы разработали твердый катализатор, который эффективно связывает CO2 с малыми реакционноспособными молекулами, такими как оксетан, эпоксиды и лимоненовый эпоксид (получаемый из масла цитрусовой кожуры). В результате получена серия полимеров и биополимеров, включая поли(триметиленкарбонат), при сравнительно мягких условиях с впечатляющими выходами до 98%.

Волокнистая губка как умная опора для катализатора

Сердцем системы является крошечный шарообразный материал, называемый дендритно-волокнистым наносиликатом (DFNS). Под микроскопом DFNS похож на морского ёжика или помпон, с множеством тонких силикационных волокон, расходящихся наружу. Такая необычная структура обеспечивает огромную площадь поверхности и лёгкий доступ к внутренним пространствам, что делает его идеальным каркасом для размещения активных каталитических центров. Исследователи химически прикрепили на поверхность DFNS специальные соли, известные как ионные жидкости. Эти ионные жидкости несут карбонатные группы, которые могут захватывать и активировать CO2, в то время как окружающий силикатный каркас удерживает их в разнесённом и стабильном состоянии, что облегчает обращение в виде твёрдого порошка.

Как работает катализатор и почему это важно

Для проверки своей разработки команда провела реакции в небольшом сосуде под давлением. Они смешали одну из малых кольцевых молекул (например, эпоксид) с малым количеством катализатора DFNS–ионная жидкость, продули сосуд CO2 и нагрели до примерно 100 °C при умеренном давлении. В этих условиях активированный CO2 и кольцевая молекула открываются и многократно соединяются, формируя длинные полимерные цепи. Точные измерения показали, что волокнистая силика сохраняет свою структуру даже после покрытия ионной жидкостью, и активные центры остаются доступными. По сравнению с другими носителями, такими как обычная силика или более традиционные пористые материалы (SBA-15, MCM-41), катализатор на основе DFNS обеспечивал значительно более высокие выходы полимеров при тех же условиях.

От отработанных масел к более экологичным пластикам

Помимо простых модельных молекул, исследователи расширили систему на более практичные биологические сырьевые материалы. Они превратили отработанные растительные масла, богатые жирными кислотами, такими как олеиновая и линолевая, в эпоксидированные масла, а затем в «карбонатированные» масла с использованием того же катализатора DFNS–ионная жидкость и CO2. Эти карбонатированные масла можно дополнительно реагировать с малыми аминокислотами (аминами) для получения полиуретанов без изоцианатов — класса полимеров, избегающих токсичных изоцианатов, используемых в стандартном производстве полиуретанов. Катализатор показал высокие степени превращения и мог быть отфильтрован и использован повторно по крайней мере в десяти циклах с незначительной потерей активности, что подчёркивает его перспективность для промышленных процессов.

Более чистая химия с многоразовыми нановпитывателями

В целом исследование демонстрирует, что тщательно спроектированный наноподобный материал может превращать CO2 из отходного газа в строительный блок для полезных полимеров, применяя ниже температуры и давления, чем многие конкурирующие методы. Комбинируя высокоплощадную волокнистую опору с специально подобранными ионными жидкостями, авторы создали прочный, перерабатываемый катализатор, эффективный как для простых эпоксидов, так и для сложных смесей, полученных из использованных пищевых масел. Для неспециалистов ключевой вывод таков: грамотный дизайн материалов может помочь замкнуть углеродный цикл — вместо простого выброса CO2 мы можем всё чаще фиксировать его в повседневных материалах, получаемых с помощью более чистой, устойчивой химии.

Цитирование: He, J., Gao, C., Feng, D. et al. Production of biopolymer and polymer from carbon dioxide employing ionic liquid supported on dendritic fibrous nanosilica. Sci Rep 16, 6313 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35620-4

Ключевые слова: использование углекислого газа, зеленые полимеры, нанокатализатор, ионные жидкости, отработанное растительное масло