ИСТИНА

Сверхкритическая двуокись углерода играет ключевую роль в целом ряде приложений и практических применений, связанных с нанопористыми материалами. Она используется для синтеза таких материалов, для модификации и очистки пор, а также для внедрения в поры компонентов для последующего осаждения или проведения химической реакции. Другим важным практическим применением является вытеснение углеводородов из пористых пород, что позволяет значительно повысить отдачу как традиционных, так и ставших популярными нетрадиционных месторождений, проницаемость которых намного ниже. Смежной задачей, приобретшей в настоящее время общемировой масштаб, является размещение двуокиси углерода в пористых породах после извлечения из них углеводородов, что направлено на уменьшение вреда, наносимого выбросами экологии планеты. Благодаря широкому кругу практических задач изучение поведения сверхкритических флюидов в условиях нанометровых ограничений пространства приобрело не только фундаментальный интерес. Проект направлен на исследование поведения сверхкритической двуокиси углерода в нанопорах различных размеров и формы. В рамках проекта будут исследованы критическое сжатие и сдвиг критической точки в нанопорах, определено влияние поверхностной адсорбции на поведение сверхкритической двуокиси углерода при различных температурах. Для проведения исследований планируется задействовать нанопористые стёкла, аэрогели, матрицы сшитых полимеров. В качестве основного в рамках выполнения проекта будет задействован нелинейно-оптический спектроскопический подход, основанный на методе когерентного антистоксового рассеяния света (КАРС), позволяющий идентифицировать сосуществующие в порах фазы и определять их плотность по колебательным молекулярным спектрам.

Supercritical carbon dioxide plays a key role in a number of practical applications related to nanoporous materials. It is used for the synthesis of such materials, for modification and purification of pores, as well as for the introduction into the pores of some components for subsequent deposition or chemical reaction. Another important practical application is the extrusion of hydrocarbons from porous underground formations, which significantly increases the yield of both traditional and popular non-traditional deposits having significantly lower permeability. A related task, which has now acquired a global scale, is the capture of carbon dioxide by porous formations after the extraction of hydrocarbons, which is aimed at reducing the harm to the ecology of the planet. Owing to a wide range of practical demands, the study of the behavior of supercritical fluids under conditions of nanoconfinement has acquired not only a fundamental interest. The current project is aimed to studying the behavior of supercritical carbon dioxide in nanopores of various sizes and shapes. The project includes investigation of the critical compression and the critical point shift in nanopores, as well as the effect of surface adsorption on the behavior of supercritical carbon dioxide at different temperatures. We plan to use nanoporous glasses, aerogels, matrixes of crosslinked polymers. A nonlinear optical spectroscopic approach based on the method of coherent anti-Stokes light scattering (CARS) will be used as the main one, allowing identification of the phases coexisting in the pores by their spectral contributions and providing information about their densities.

Общим результатом выполнения проекта станет развитие нелинейно-оптического спектроскопического подхода, разработанного научным коллективом как инструмента диагностики молекулярных сред в нанопорах, в область сверхкритических флюидов. Ожидается, что методическим результатом станет создание на основе метода КАРС спектроскопии инструмента для определения плотности скСО2 в нанопорах, а также методики определения сдвига критической точки в условиях нанометровых ограничений пространства. В рамках выполнения проекта будет охарактеризовано увеличение плотности скСО2 в нанопорах при различных температурах вблизи критической, при этом наибольшее уплотнение должно указать на критическое значение температуры. В рамках исследования сдвига критической точки будет исследован гистерезис перехода жидкой фазы от кластерного вида к бесконечному кластеру и обратно в процессе адсорбции-десорбции при различных температурах, что должно позволить установить значение температуры, при котором этот гистерезис исчезает ввиду перехода в сверхкритический режим. Будет исследовано влияние размера пор на величину сдвига критической точки. Будет определена роль поверхностной адсорбции скСО2 при различных температурах. Планируемые к получению в результате выполнения проекта результаты по поведению плотности скСО2 при различных условиях и по сдвигу критической точки в нанопорах являются принципиальным для целого ряда приложений, связанных как с созданием и модификацией функциональных нанопористых материалов и композитов, так и с добычей углеводородов из труднодоступных естественных резервуаров с последующим размещением в них скСО2.

Научный коллектив обладает значительным опытом в нелинейно-оптической спектроскопии и исследованиях молекулярных сред в свободном объёме и в нанопорах. Метод КАРС использовался авторами для исследования вращательных и колебательных переходов в разреженном и плотном газе, жидкости и сверхкритическом флюиде в свободном объёме. В частности, для фермиевского дублета nu1/2nu2 двуокиси углерода коллективом детально изучена роль каждого из дефазирующих механизмов, таких как доплеровский, столкновительный, а также механизм спектрального обмена в широком диапазоне плотностей от разреженного газа и вплоть до конденсации, а также в жидкости и сверхкритическом состоянии в свободном объёме. За последние несколько лет коллективом разработан подход к оптической диагностике молекулярных сред в нанопорах и проведён ряд исследований, посвящённых адсорбции двуокиси углерода в порах нанопористых стёкол. Были определены спектральные характеристики вкладов первого адсорбированного слоя, поверхностных полимолекулярных слоёв и конденсированного состояния в объёме нанопор. Спектры указанных фаз значительно сдвинуты друг относительно друга и имеют разную ширину, что позволяет различить присутствующие в КАРС спектрах вклады и идентифицировать каждую из фаз в случае сосуществования. Установлено, что спектр появляющейся в нанопорах жидкой фазы отличается от спектра жидкости в свободном объёме, указывая на образование наноразмерных кластеров. Проведено спектроскопическое наблюдение появления и последующего роста кластеров в размере с увеличением давления, приводящего в итоге к заполнению пор жидкостью. Проведенные измерения при сверхкритической температуре позволили наблюдать проявление сдвига критической точки в нанопорах. Кроме того, был выполнен ряд работ по синтезу металлических наночастиц в объёме нанопористых материалов, где сверхкритическая двуокись углерода использовалась как растворитель для внедрения в поры прекурсоров металлов и последующей очистки.