Na Uniwersytecie Warszawskim opracowano metodę wytwarzania nowego typu polimerów koordynacyjnych do zastosowania w przemyśle. Materiał pochłania dwutlenek węgla i jednocześnie funkcjonuje jako ekologiczny katalizator reakcji chemicznych.
Sposób wytwarzania nowych materiałów polimerowych zdolnych do absorpcji dwutlenku węgla i jednocześnie posiadających właściwości katalityczne opracował zespół dr hab. Elżbiety Megiel z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Powstałe materiały, które mają postać wysokoporowatego krystalicznego materiału stałego, należą do grupy polimerów koordynacyjnych (metal-organic frameworks, MOF) o wysokiej porowatości. Nowa technologia pozwala wytwarzać je prostą metodą, używając powszechnie dostępnych i niedrogich substratów.
Nowy materiał 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 materiał umożliwia odejście od tych praktyk i pozyskiwanie w przyszłości węglanów w ekologiczny i bezpieczny sposób – mówi dr hab. Elżbieta Megiel.
Zastosowana w utylizacji CO2 reakcja chemiczna charakteryzuje się 100-proc. efektywnością atomową, co oznacza, że 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 obecnie na skalę przemysłową do wielu zastosowań, m.in. jako elektrolity w bateriach litowo-jonowych, składniki preparatów kosmetycznych i farmaceutycznych czy substraty do otrzymywania biodegradowalnych polimerów.
W odkrytej technologii kluczową rolę odgrywa aspekt ekologiczny. Materiały o tak wysokiej porowatości (ich powierzchnia właściwa 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 właściwości katalitycznych. Można je więc użyć jako katalizatory w reakcjach, w których dwutlenek węgla 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. Jeśli zastosujemy epoksyd pozyskiwany z materiałów odnawialnych, jak 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, że po zakończeniu reakcji katalizator można w łatwy sposób w pełni odzyskać do ponownego użytku, nie traci on bowiem swoich właściwości katalitycznych po kilkukrotnym zastosowaniu. 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.
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 – zachęca dr
hab. inż. Przemysław Dubel, dyrektor Centrum Transferu Technologii i Wiedzy Uniwersytetu Warszawskiego.
Ze względu na to, że odkryte materiały adsorbują z powietrza dwutlenek węgla, potencjalnie można je wykorzystywać jako pochłaniacze tego cieplarnianego gazu. Twórcy technologii zastrzegają jednak, że to tylko jedna z wielu dostępnych opcji, ponieważ na rynku istnieją już materiały i substancje o wyższej skuteczności w pochłanianiu CO2 , jak na przykład polietylenoimina oraz etylenodiamina. Jednak w przypadku amin nie jest możliwa utylizacja dwutlenku węgla bezpośrednio do użytecznych produktów, jakimi są w przypadku opracowanej na UW metody cykliczne węglany organiczne.
Mogę sobie wyobrazić, że 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: UW