1 miesiąc temu
Na Wydziale Chemii UW, pod kierownictwem dr hab. Elżbiety Megiel, prof. ucz., odkryto sposób wytwarzania nowych materiałów polimerowych zdolnych do absorpcji dwutlenku węgla i jednocześnie posiadających adekwatności katalityczne. Materiały te należą do grupy polimerów koordynacyjnych (MOF – z ang. metal-organic frameworks) o wysokiej porowatości. Autorki technologii wiedzą, jak wytwarzać je prostą metodą, używając powszechnie dostępnych i niedrogich substratów.
Ekologiczny materiał dla producentów węglanów
– Opracowaliśmy nowy materiał, który jest katalizatorem reakcji chemicznych. Przy zastosowaniu różnego rodzaju epoksydów pozwala on wytwarzać w prosty sposób cenne dla przemysłu organiczne węglany, bez konieczności użycia toksycznych substancji. To oznacza pewien przełom, ponieważ dotychczas w przemysłowe procesy produkcji organicznych węglanów wpisane były metody szkodliwe dla środowiska. Nasz nowy materiał może umożliwić odejście od tych praktyk i pozyskiwanie w przyszłości węglanów w ekologiczny i bezpieczny sposób – mówi dr hab. Elżbieta Megiel.
Twórcy technologii podkreślają, iż zastosowana w utylizacji CO2 reakcja chemiczna charakteryzuje się 100 proc. efektywnością atomową, a to oznacza, iż jako metoda bezodpadowa jest wyjątkowo ekologiczna. Dzięki zastosowaniu opracowanych katalizatorów, które są wysoce selektywne, pozwala uzyskiwać produkty o bardzo wysokiej czystości. Chodzi tu między innymi o organiczne węglany produkowane w tej chwili na skalę przemysłową do wielu zastosowań, między innymi takich jak elektrolity w bateriach litowo-jonowych, składniki preparatów kosmetycznych i farmaceutycznych i substraty do otrzymywania biodegradowalnych polimerów.
Nowe materiały polimerowe powstają w wyniku połączenia kwasu 1,4 naftalenodikarboksylowego,4-aminotriazolu lub 5-aminotetrazolem z klastrami jonów glinu. Mają one postać wysoko-porowatego krystalicznego materiału stałego.
Surowce niezbędne do produkcji tych polimerów są powszechnie dostępne i niedrogie. Samo wyprodukowanie nowych polimerów odbywa się w ramach prostej, bezpiecznej dla środowiska i również nisko-kosztowej syntezy. Nowe polimery w procesie karboksylacji epoksydu służą jako wysoce selektywne katalizatory reakcji, w wyniku której z epoksydu oraz zaadsorbowanego dwutlenku węgla powstaje użyteczny organiczny węglan.
Utylizacja CO2
W odkrytej technologii najważniejszy jest aspekt ekologiczny. Materiały o tak wysokiej porowatości (ich powierzchnia adekwatna wynosi od 400 do 700 metrów kwadratowych na każdy gram substancji) silnie adsorbują dwutlenek węgla. Można to porównać do wchłaniania wody przez gąbkę. Kryształy tych polimerów adsorbując CO2 nie tracą swoich adekwatności katalitycznych. Można je więc użyć jako katalizatory w reakcjach, w których CO2 staje się substratem i jest zutylizowany.
– Te nanostruktury, które mają postać proszku lub sprasowanych pastylek, można użyć już po pochłonięciu CO2, w reaktorach chemicznych, gdzie uwięziony dwutlenek wchodzi w reakcję z epoksydami węgla i tworzy organiczne węglany. Tym samym następuje jego utylizacja. jeżeli zastosujemy epoksyd pozyskiwany z materiałów odnawialnych np. tlenek etylenu, tlenek limonenu czy tlenek α-pinenu, które mogą być pozyskiwane z biomasy, to trudno o bardziej ekologiczny rezultat. Wykorzystujemy w ten sposób odpadowy CO2 w oparciu o zasady zrównoważonego rozwoju – wyjaśnia dr hab. Elżbieta Megiel.
To jaki węglan organiczny powstanie w wyniku zastosowania opracowanych katalizatorów, zależy od tego, jaki epoksyd posłuży za podstawę reakcji chemicznej. Ważne jest to, iż po zakończeniu reakcji katalizator można w łatwy sposób w pełni odzyskać do ponownego użytku, nie traci on bowiem swoich adekwatności katalitycznych po kilkukrotnym zastsowaniu. W trakcie badań rozwojowych zespół twórców potwierdził stabilność odkrytych nanomateriałów do temperatury 400 stopni Celsjusza. Można je przechowywać w normalnej atmosferze i szerokim zakresie temperatur. Można z nich też wielokrotnie korzystać.
Komercjalizacja
Technologia została objęta ochroną patentową w Polsce i zagranicą. Jej komercjalizację prowadzi Centrum Transferu Technologii i Wiedzy UW. Twórcy planują nawiązać współpracę z przedstawicielami przemysłu, by dokonać dalszych testów i docelowo wdrożyć rozwiązanie do użytku.
– Na tym etapie zależy nam na podniesieniu gotowości technologicznej wynalazku. Wykazuje on wysoką efektywność w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, natomiast do przeprowadzenia pełnych testów w skali przemysłowej potrzebny nam jest partner z zewnątrz. Zespół twórców gotowy jest współpracować z partnerami na dalszych etapach prac badawczych i wdrożeniowych – mówi dr hab. inż. Przemysław Dubel, prof. ucz., dyrektor CTTW UW.
Pochłaniacz CO2?
Ze względu na to, iż odkryte materiały adsorbują z powietrza dwutlenek węgla, potencjalnie można je wykorzystywać jako pochłaniacze tego cieplarnianego gazu. Twórcy technologii zastrzegają jednak, iż raczej materiał ten należy rozpatrywać jako jedną z wielu dostępnych opcji, ponieważ na rynku istnieją materiały i substancje o wyższej skuteczności w pochłanianiu CO2, jak na przykład polietylenoimina oraz etylenodiamina. Jednakże w przypadku amin nie jest możliwa utylizacja CO2 bezpośrednio do użytecznych produktów, jakimi są w przypadku opracowanej na UW metody cykliczne węglany organiczne.
– Mogę sobie wyobrazić, iż docelowo nasza technologia jest wykorzystywana do adsorbcji CO2 na przykład z gazów odlotowych pochodzących z produkcji przemysłowej czy produkcji energii, a następnie materiał ten trafia na linie produkcyjne organicznych węglanów. Z technicznego punktu widzenia nie ma przeciwwskazań czy ograniczeń, by tak się stało. Dziś jednak ważne jest to, by nową technologią zainteresowali się potencjalni partnerzy, którzy poddadzą ją testom w skali przemysłowej i pomogą ją wdrożyć do powszechnego zastosowania – dodaje dr hab. Elżbieta Megiel.
Źródło i fot.: Centrum Transferu Technologii i Wiedzy/ Uniwersytet Warszawski. Na zdjęciu dr hab. Elżbieta Megiel.
