Металл-органический каркас и солнце помогут выжить в пустыне
Инженеры из Массачусетского технологического института предложили новое устройство для «вытягивания» воды из воздуха. В его основе лежит специально разработанный пористый металл-органический каркас, оно работает при низкой влажности и не требует никаких дополнительных источников энергии, кроме солнечной. Результаты опубликованы в журнале Science.
По данным на 2016 год, две трети населения Земли страдает от нехватки питьевой воды, многие регионы подвержены сезонным засухам. В атмосфере же, по некоторым оценкам, содержится до 13 тысяч кубометров пресной воды, и они могут быть использованы. Недостатки созданных до сих пор систем конденсации воды из воздуха состоят в том, что те требуют либо высокой влажности, либо высоких энергозатрат.
Группа инженеров поставила задачу разработать такое устройство, которое добывало бы воду при относительной влажности 20 процентов, как в самых засушливых регионах планеты, и работало бы исключительно на солнечной энергии. Решение проблемы стало возможным, когда ученым пришла в голову идея использовать металл-органические каркасы — соединения, которые состоят из металлов и органических лигандов. Они обладают очень высокой пористостью и способны впитать воду из воздуха широкого диапазона влажности, а кроме того, их легко модифицировать на молекулярном уровне, добиваясь необходимых свойств, — а потому идеально подходят для поставленной задачи.
Основным элементом разработанной системы является килограмм кристаллов металл-органического каркаса, MOF-801, спрессованный в тонкий (до пяти миллиметров) лист пористого металла. Лист располагается между абсорбером, поглощающим солнечное излучение, и пластиной конденсатора. Механизм помещается в камеру. Чтобы добыть воду, необходимо открыть камеру для впитывания влаги из воздуха, а затем закрыть ее для высвобождения воды, которое запускается под воздействием солнечного тепла, поглощаемого абсорбером. Конденсатор охлаждает пар до температуры насыщения, превращая его в воду.
В лабораторных условиях устройство небольшого размера производило по 250 миллилитров воды за каждый цикл, при относительной влажности 20 процентов. Авторы утверждают, что устройство за сутки способно собрать до трех литров воды на один килограмм металл-органического каркаса при относительной влажности 20 процентов. После серии лабораторных тестов, устройство было протестировано в естественных условиях, где его работа подтвердилась.
В своей работе авторы заявляют, что MOF-801 хорошо агрегирует воду, он исключительно стабилен, и, кроме того, его составляющие широко доступны и недороги. Впрочем, ученые собираются продолжить разработки подходящей металл-органической конструкции, которая могла бы захватывать еще больше воды, и иметь при этом меньшую стоимость.
Анна Зинина
Возбудили его с помощью фотокатализатора
Американские химики обнаружили фотохимическую реакцию циклопропанирования двойных связей соединениями с активной метиленовой группой. Они выяснили, что в присутствии кислорода, фотокатализатора и источника иода эти распространенные нуклеофилы реагируют с обычными алкенами — при этом образуется трехчленный углеродный цикл. Кроме того, авторы статьи в Science исследовали механизм открытой реакции. Трехчленные углеродные кольца — циклопропаны — часто встречаются в молекулах биологически активных веществ. Например, такое кольцо есть в нирматрелвире — одном из компонентов недавно одобренного FDA лекарства от ковида. И поэтому циклопропанам, в отличие от, например, четырехчленных циклобутанов, химики посвящают много исследований. Сейчас самый распространенный метод синтеза циклопропанов — это реакция между алкеном и диазосоединением. Чтобы его использовать, нужно получать часто неустойчивые при хранении (а иногда даже взрывчатые) диазосоединения. Кроме того, для протекания такой реакции обычно нужны медные или родиевые катализаторы. Но недавно химики под руководством Рамеша Гири (Ramesh Giri) из Университета штата Пенсильвания нашли метод циклопропанирования алкенов без диазосоединений. Сначала они предположили, что в присутствии фотокатализатора и окислителя метиленовые фрагменты, соседние с двумя акцепторными группами, смогут образовывать радикалы, которые и будут присоединяться к двойной связи алкена. Чтобы проверить эту гипотезу, химики провели несколько тестов. Они смешивали алкен 4-фенилбутен с диэтилмалонатом в присутствии разных перекисных окислителей и фотокатализатора 4CzIPN при облучении синим светом. В одном из экспериментов, когда химики добавили в реакцию циклогексилиодид и использовали кислород в качестве окислителя, образовался нужный циклопропан. Далее, чтобы изучить механизм реакции, химики провели несколько контрольных экспериментов. Они показали, что под действием возбужденной фотокатализатором молекулы кислорода на метиленовом фрагменте одного из реагентов возникает радикальный центр, который перехватывается алкеном с последующим образованием циклопропана. Кроме того, с помощью УФ-спектроскопии ученые выяснили, что во время протекания процесса циклогексилиодид окисляется с образованием иода. Он, в свою очередь, восстанавливается до иодид-анионов с помощью образующейся в смеси перекиси водорода, а затем уже в форме аниона выступает восстановителем для фотокатализатора. Далее химики протестировали свою реакцию на разных алкенах. Оказалось, что у реакции два основных ограничения: стиролы, в которых двойная связь присоединена к бензольному кольцу, и сопряженные диены. Из них циклопропаны получить не удалось. Так химики разработали реакцию фотохимического синтеза циклопропанов и исследовали ее механизм. Авторы статьи надеются, что вскоре получится разработать более общие условия процесса, которые позволят получать циклопропаны из стиролов и диенов. Недавно мы рассказывали о том, как химики воспользовались таким же фотокатализатором для проведения реакций кросс-сочетания.