Nowy sposób wychwytywania dwutlenku węgla i wykorzystywania go jako składnika do tworzenia nowoczesnych, materiałów funkcjonalnych zaprezentowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Od czasów rewolucji technologicznej żyjemy szybciej niż kiedykolwiek wcześniej i zużywamy więcej energii niż faktycznie potrzebujemy. W efekcie produkujemy ogromną ilość gazów emisyjnych, które mają dramatyczny wpływ na środowisko, nie tylko zwiększając powstawanie smogu i niekorzystnie wpływając na zdrowie, ale także powodują ocieplenie klimatu. Dlatego także ważna jest ich redukcja w atmosferze. Obecne metody radzenia sobie z tym problemem są jednak kosztowne i nadal mało skuteczne.
Dwutlenek węgla, łatwo generowany przez wysokie uprzemysłowienie, spalanie paliw kopalnych czy wycinanie drzew, z uwagi na niską reaktywność nie daje się łatwo wychwytywać i przekształcać w inne związki chemiczne. Dlatego, ze względu na swoją specyficzną strukturę, CO2 pochłania i emituje ciepło znane jako promieniowanie podczerwone, przyczyniając się do ocieplenia powierzchni Ziemi, jak i różnych poziomów atmosfery. To generuje potrzebę znalezienia nowatorskich sposobów jego wychwytywania.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, kierowani przez prof. Janusza Lewińskiego, we współpracy z międzynarodowym zespołem badaczy, zaprezentowali łatwy sposób wychwytywania CO2 i wykorzystywania go jako składnika do tworzenia nowoczesnych, materiałów funkcjonalnych. Co więcej, wszystko to bez generowania odpadów, które są zwykle wytwarzane podczas klasycznych „mokrych” syntez. Proponowane narzędzia opierające się na mechanochemii umożliwiają aktywację reakcji chemicznych przez pokonanie bariery energetycznej tylko i wyłącznie za pomocą siły mechanicznej. Innymi słowy, nowy materiał został otrzymany w wyniku ucierania stałych substratów w stalowym reaktorze. Pomimo prostoty reaktorów mechanochemicznych, stanowią one potężne narzędzie oferujące ekologiczne podejście do wytwarzania różnorodnych związków chemicznych konieczności składowania i utylizacji odpadów.
Naukowcy umieścili w reaktorze mechanochemicznym kilka odpowiednio dobranych składników, badając wpływ warunków eksperymentalnych na skład otrzymywanego produktu. Zespół prof. Lewińskiego zaproponował bogatą w azot cząsteczkę organiczną o nazwie 1-(o-tolyl)biguanid (otbg) ze względu na jej unikalny skład chemiczny, oferujący grupę funkcyjną, która może wiązać CO2. Początkowo syntezę prowadzono w mieszaninie rozpuszczalników, a mianowicie acetonitrylu i wodzie, w obecności otbg, wystawiając roztwór na działanie gazu. W kolejnym kroku acetonitryl zastąpiono tetrahydrofuranem, co spowodowało wytworzenie zupełnie innego produktu. Odkryto, że selektywność tworzenia węglanów z CO2 w porównaniu z wodorowęglanami w metodzie opartej na roztworze jest związana z rodzajem użytego rozpuszczalnika.
Zainspirowani obserwacją tworzenia się rozległej sieci wiązań wodorych, zastanawialiśmy się, czy zastosowanie podejścia mechanochemicznego może wpłynąć na przebieg reakcji chemicznej i doprowadzić do powstawania różnych produktów – mówi dr Michał Leszczyński, pierwszy autor badań.
Otrzymane materiały wiążą CO2 za pomocą wiązań wodorowych, które są na tyle silne, aby uwięzić gaz w produkcie końcowym. Co ciekawe, metoda ta może być również stosowana z innymi gazami pozwalając na redukcję znacznie większej ilości innych gazów w atmosferze. Metoda ta cechuje się brakiem szkodliwych odpadów syntezy przekładając się na jej aspekt ekologiczny i ekonomiczny.
Grupa prof. Janusza Lewińskiego jako pierwsza zaprezentowała, że CO2 może być wychwytywany mechanicznie i włączany w strukturę nowego, materiału funkcjonalnego. To pokazuje potencjał mechanochemii w opracowaniu nowej strategii do klasycznej mokrej syntezy w kierunku redukcji gazów emisyjnych z zachowaniem wysokiej selektywności metody
Wykazaliśmy, że tworzenie związków węglanowych i wodorowęglanowych może być ukierunkowane przez zastosowanie rozpuszczalnika organicznego w syntezie mechanochemicznej wspomaganej cieczą. Co więcej, okazuje się że selektywność badanych procesów jest zależna od zastosowanych rozpuszczalników organicznych, ale kierunek tej zależności jest odwrotny w przypadku reakcji mechanochemicznych w porównaniu do reakcji w roztworze. Ogólnie rzecz biorąc, nasze odkrycia potwierdzają pogląd na mechanochemię nie tylko jako zrównoważoną alternatywę, ale raczej jako strategię uzupełniającą syntezę opartą na klasycznych układach rozpuszczalnikowych – zauważa dr hab. Leszczyński.
Dzięki interdyscyplinarnemu i innowacyjnemu podejściu otrzymano i w pełni przebadano szereg nieznanych wcześniej produktów, co może mieć znaczny wpływ na rozwój technologii wykorzystania CO2 jako wartościowego substratu do otrzymywania materiałów funkcjonalnych.
Magdalena Osial, źródło: IChF PAN