Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» провели скрининг более 10 тыс. вариантов металл-органических координационных полимеров (МОКП), которые возможно использовать для извлечения гелия из природного газа. Они определили диапазон основных структурных параметров соединений, что поможет создавать более эффективные материалы.

Гелий широко используют в разных областях промышленности — авиа- и ракетостроении, электронной индустрии, производстве полупроводников и гелий-неоновых лазеров. Во время пандемии COVID-19 около 30% мирового потребления приходилось на применение в магнитно-резонансных томографах. На знакомое всем надувание воздушных шаров уходит до 10%.

Гелий — второй по распространенности газ во Вселенной после водорода, его массовая доля составляет 24–25%. Но концентрация его в атмосфере очень мала — не более 0,0005%. В промышленных объемах гелий добывают из природного газа. Мировой объем производства в 2023 году составил 170 млн кубометров, из которых 8 млн приходится на Россию.

Чтобы получить чистый гелий из природного газа, используют криогенный, адсорбционный и мембранный методы газораспределения. При определенных условиях последние два метода более энергоэффективны, и эффективность эта зависит от материалов, которые используют в процессах газораспределения. Адсорбционный метод заключается в том, что через колонку с адсорбентом пропускают гелий-содержащую смесь, в ходе чего сорбент фильтрует примесные газовые компоненты, а на выходе получают чистый газ. При мембранном разделении используют два типа мембран: одна либо задерживает примеси (азот и метан) и пропускает только гелий, либо, наоборот, пропускает примеси, оставляя гелий на входе.

Перспективные материалы для получения гелия — металл-органические координационные полимеры (МОКП). Они представляют собой пористые материалы, состоящие из металлических кластеров, соединенных между собой органическими структурными единицами. Их комбинируют и получают разные кристаллические структуры, в пористом пространстве которых происходит газоразделение. Таких комбинаций — десятки миллионов. Ученые ИК СО РАН провели скрининг 10 тысяч вариантов соединений методом in silico с помощью моделирования, чтобы определить, какие параметры влияют на эффективность МОКП.

«По результатам скрининга нам удалось выделить шесть структурных дескрипторов, которые влияют на эффективность материала в процессе как адсорбционного, так и мембранного газоразделения гелий-содержащих смесей. Это лимитирующий размер пор, наибольший диаметр полости, доступная площадь поверхности, доступный объем пор, плотность и пористость. И если наша структура попадает в этот диапазон, то можно ожидать, что она будет крайне эффективна для выделения гелия», — рассказывает научный сотрудник Отдела материаловедения и функциональных материалов ФИЦ «ИК СО РАН» к.ф.-м.н. Иван Гренёв.

Ученый отмечает интересный момент: согласно литературным данным, в мире ищут мембранные материалы, которые селективны, то есть избирательны, по гелию, но мало внимания уделяют обратному процессу — селективности по азоту и метану, когда мембрана пропускает их, задерживая нужный газ. Исследователи ИК СО РАН же показали, что МОКП материалы, которые одновременно селективны по метану и азоту, более перспективны, чем материалы, селективные только по гелию.

Результаты работы могут использоваться на практике для производства сорбентов и оптимизации условий работы установок разделения газов методом короткоцикловой адсорбции (КЦА) на таких российских предприятиях, как Амурский и Оренбургский ГПЗ.