Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Слоистые двойные гидроксиды выделили сероводород и монооксид азота

Shinsuke Ishihara & Nobuo Iyi / Nature Communications, 2020

Японские ученые синтезировали слоистые двойные гидроксиды с анионами сульфида и нитрита, способные при пропускании через них воздуха с углекислым газом выделять сероводород и монооксид азота в низких концентрациях. Полученные материалы авторы работы использовали для создания аппарата по обеспечению чистым монооксидом азота в низких концентрациях с помощью респиратора без риска передозировки. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Несмотря на свою токсичность в высоких концентрациях, сероводород и монооксид азота физиологически активны, обладают противовоспалительными, антиокислительными, цитозащитными и вазодилататорными свойствами и нередко применяются в медицинских целях. Цеолиты и металл-органические каркасные структуры могут связывать эти газы, позволяя таким образом хранить их и высвобождать при повышении влажности пропускаемого через них воздуха. Однако, для использования таких средств необходимо постоянно контролировать влажность, поддерживая ее на низком уровне.

Слоистые двойные гидроксиды представляют собой положительно заряженные слои из ионов металлов с разными валентностями и гидроксид-ионов, которые разделены подвижными анионами и молекулами воды в межслоевом пространстве. Синсукэ Исихара (Shinsuke Ishihara) и Нобуо Ийи (Nobuo Iyi) из Национального института наук о материалах в Японии использовали слоистые гидроксиды магний-алюминиевого типа с анионами HS или NO2 в качестве материалов для автономного выделения сероводорода и монооксида азота. Авторы предположили, что анионы слабых кислот в межслоевом пространстве протонируются при пропускании через материал воздуха, содержащего углекислый газ и воду. 

Затем HNO2 в результате реакции диспропорционирования или реакции с восстановителем образует NO. Концентрация выделяемых газов и продолжительность этого процесса определяется разницей в показателях кислотности получаемых кислот, от которых зависит равновесие обмена протонами между углекислотой и анионами между слоями гидроксидов.

Исследователи синтезировали магний-алюминиевые слоистые гидроксидные материалы различного состава, варьируя соотношения магния и алюминия, а также состав межслоевого аниона: NO2, HS или S2−. Оптимизируя состав вещества, авторы добились выделения 76 миллионных долей сероводорода за четыре часа пропускания воздуха со скоростью 100 миллилитров в минуту, что оказалось в два раза ниже ожидаемой концентрации. Авторы связывают это с условиями синтеза. 

Концентрация выделяемого газа обратно пропорционально зависела от скорости пропускания воздуха, а его влажность никак не влияла на количество сероводорода, однако очень сухой воздух снижал это значение. Повышение температуры до 36 градусов Цельсия также способствовало выделению сероводорода, что объясняют ускорением диффузии.

Для определения концентрации монооксида азота авторы использовали индикаторные трубки, одна из которых позволяла контролировать суммарное содержание диоксида азота и паров азотистой кислоты, а другая — оксидов азота. Равные концентрации моно- и диоксида азота (по 0,2 миллионной доли) свидетельствуют о том, что они образовались в результате диспропорционирования азотистой кислоты. 

С ростом относительной влажности воздуха от двух до 90 процентов количество выделяемых соединений азота росло, однако оставалось примерно одинаковым в нормальных условиях (35-90 процентов). Для восстановления оставшейся азотистой кислоты ученые поставили после слоистых двойных гидроксидов с анионами NO2 колонку с сульфатом железа (II), а диоксид азота удаляли с помощью гидроксида магния.

Используя материалы оптимального состава, авторы сконструировали аппарат для обеспечения монооксидом азота через респиратор. Поток влажного воздуха проходил через слоистые двойные гидроксиды, сульфат железа (II), гидроксид магния и через электрохимический датчик на монооксид азота. Затем очищенный NO смешивался с потоком атмосферного воздуха и попадал в респиратор. По словам авторов, такой прибор обеспечивает низкую вероятность передозировки и видимость образования газа за счет образования окрашенных соединений железа при восстановлении азота. А газ, полученный при пропускании потока чистого азота, можно хранить длительное время.

Авторы показали, что степень выделения газов можно изменять, контролируя такие факторы как химический состав слоистых двойных гидроксидов, диффузию газов и химическое равновесие происходящих реакций. Выделение газов мало зависит от переменчивой влажности воздуха, так как в межслоевом пространстве достаточно много молекул воды, а концентрация углекислого газа в воздухе постоянна. Это делает устройства на основе таких материалов удобными для использования в нормальных условиях. Более того, предложенные гидроксиды не содержат переходных металлов и совместимы с биологическими тканями.

В позапрошлом году химики создали металл-органический каркас, который может эффективно очищать воздух от реакционноспособного NO2. Один грамм материала способен обратимо захватывать до 14 миллимоль газа.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.