- Na czym polega praca w Pracowni Badań Katalizatorów?

Joanna  Łojewska (kierownik pracowni): Na rozwijaniu technik analiz, które są dedykowane do powierzchni katalizatora, ponieważ zjawisko katalizy heterogenicznej dzieje się wyłącznie tam. Aby przybliżyć zrozumienie, jak działa katalizator, można sobie wyobrazić lotnisko, na którym lądują samoloty. Reagujące cząsteczki to ludzie na lotnisku, którzy spotykają się w tym umówionym miejscu. My za pomocą swoich analizatorów podglądamy, kto z kim i gdzie. Dlatego rozwijamy techniki spektroskopowe, tzw. in situ i operando. In situ pozwalają nam śledzić reakcje katalityczne w czasie rzeczywistym, operando dodatkowo umożliwiają spoglądanie na fazę gazową, czyli kto nasze lotnisko opuszcza. Jeżeli technikę analityczną, która wcale nie musi być powierzchniowa, wyposażymy w cząsteczkę- sondę chemiczną, to każda  w zasadzie technika może śledzić powierzchnię. I właśnie w tym specjalizuje się nasza pracownia.

Przemysław Jodłowski: Ja specjalizuję się w spektroskopii w podczerwieni. Badania w tym zakresie polegają na użyciu specjalnej przystawki, dzięki której możemy oglądać to, co dzieje się na powierzchni katalizatora.  Odpowiednio dobrane cząsteczki sondy  lokalizują się na szczególnych miejscach  na powierzchni katalizatora zwanych centrami aktywnymi tworząc wiązania chemiczne. Oczywiście powierzchnia też jest zbudowana z atomów, więc takie centrum to ugrupowanie atomów,  I w ten sposób, analizując charakter oddziaływania centrów  na powierzchni z cząsteczką sondą  możemy powiedzieć z czego  centra są zbudowane i jakie centra są potrzebne do zajścia określonej reakcji , ile jest ich potrzeba. Dodatkowo możemy również wnioskować, jaki jest mechanizm badanej reakcji.

- Jakie były efekty współpracy z Fundacją na Rzecz Nauki Polskiej, w ramach której pracowali Państwo nad projektem „Pomost”?

Joanna Łojewska:  Fundacja była tak miła, że oceniła ten projekt bardzo wysoko i przyznała mi środki na badania. To była ciężka praca całego zespołu. Był to wspaniały projekt, bo pozwolił na zatrudnienie doktorantów. Wśród nich była obecna z nami Anna (Rogulska, przypis I.S.), która zajmowała się centrami aktywnymi w reakcji redukcji tlenków azotu. Cały projekt poświęcony był skonstruowaniu wysoko sprawnego reaktora do utylizacji spalin z silników, lub turbin zasilanych biogazem .Jest to obecnie bardzo ważny temat, dlatego że sam biogaz pojawia się coraz częściej jako alternatywne źródło energii. Biogaz może być otrzymywany z biomasy na różne sposoby ; instalacje te są budowane najczęściej przy wysypiskach śmieci. Taki biogaz może być na przykład źródłem energii, może być spalany i produkowany z niego prąd elektryczny lub ciepło na potrzeby lokalne. A jeżeli coś spalamy, to pojawiają się produkty uboczne – zanieczyszczenia powietrza. Ze spalania biogazu  jest cała gama związków: niedopalony metan, tlenek węgla, lotne związki organiczne i ich częściowo utlenione pochodne, tlenki azotu i siarki. Tak więc chemik-katalityk ma przed sobą szereg wyzwań, aby  spaliny pochodzące z biogazu oczyścić. Dzięki temu, że zawiązaliśmy współpracę z inżynierami w tym z Instytutem Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach, możemy projektować wnętrza reaktorów.  Nazywamy je strukturalnymi wypełnieniami reaktorów, które pozwalają znacznie zwiększyć transport masy i ciepła w reaktorze, czyli ogólnie rzecz biorąc zintensyfikować proces. Do czego to wszystko  prowadzi? Jeżeli sobie wyobrazimy biogazownię, przy niej stosunkowo niewielki silnik na biogaz i wielką instalacje  do oczyszczania spalin, to rachunek ekonomiczny jest prosty. Żaden przedsiębiorca, który chce zarobić na produkcji energii nie będzie chciał inwestować nadmiernie w oczyszczanie spalin, co właściwie ogranicza rozwój tej gałęzi przemysłu. Strukturalny reaktor, który my  proponujemy, pozwala tak zintensyfikować transport masy, że jego rozmiary mogą się skrócić nawet kilkadziesiąt razy.

Projektując struktury wypełniające reaktory i  jednocześnie centra aktywne mamy wgląd we wszystkie skale,  czyli w makroskalę – domenę inżynierii chemicznej, poprzez mezoskalę, w której formowany jest katalizator na powierzchni wypełnienia strukturalnego do skali atomowej, gdzie projektujemy rozmaite centra aktywne.

W tym przypadku dopalania spalin z biogazu interesował nas szczególnie metan. Przemek (Przemysław Jodłowski, przypis I.S.) opracował skład bardzo dobrego katalizatora do dopalania metanu, który nie jest oparty wyłącznie o metale szlachetne. Projekt z Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej pozwolił nam  rozwinąć się i rozkwitnąć w naszej pracowni badań katalizatorów.

Anna Rogulska: Natomiast ja w tym projekcie zajmowałam się głównie badaniami katalizatorów zeolitowych podstawianych kationami miedzi , które są aktywne w reakcji redukcji tlenków azotu.  Była to reakcja tzw. selektywnej katalitycznej redukcji, która pozwala na przetworzenie szkodliwych tlenków azotu w azot obecny w powietrzu. Wykorzystywałam technikę spektroskopii w podczerwieni, o której trochę już opowiadał Przemek (Przemysław Jodłowski – przypis I.S.) i też  badałam centra aktywne przy użyciu cząsteczek-sond, tj. tlenku węgla, tlenku azotu, amoniaku. Amoniak jest ponadto reduktorem tlenków azotu i w reakcji pomiędzy nimi powstaje wspomniany azot. Ta cząsteczka sonda jest uniwersalna. Nie dość, że pozwala rozróżniać rozmaite centra aktywne to dzięki temu, że jest jednym z reagentów biorących udział w redukcji tlenków azotu, możemy patrzeć na to, co dzieje się na powierzchni katalizatora: w jaki sposób amoniak absorbuje się na powierzchni, w jaki sposób później reaguje z tlenkiem azotu. Wszystkie te eksperymenty były robione w przepływie gazów , które możliwe są dzięki zastosowaniu specjalnej komory w przepływie gazów. Dzięki niej możemy jednocześnie prowadzić reakcję i podglądać ją.

{page_break}

-Dlaczego Pani zespół podjął się badań z dziedziny chemii konserwatorskiej?

Joanna Łojewska: To długa historia. Pojawiło się zapotrzebowanie na stworzenie zespołu , który zająłby się problemem kwaśnego papieru, który realizowany był w ramach programu rządowego zwanego właśnie „Kwaśny Papier”. To było jeszcze za czasów, kiedy kierownikiem zespołu był prof. Andrzej Barański.  Weszłam w tę tematykę, bo zainteresowały mnie polimery naturalne i szczególnie spodobała mi się celuloza, a to się świetnie składało, bo papier jest zbudowany z celulozy. Jej niezwykłość polega na tym, że jest zbudowana tylko z 3 atomów – węgla, tlenu i wodoru – ułożonych w ten sposób, że tworzą niezwykle termodynamicznie trwałą strukturę  - najbardziej trwałą wśród polimerów naturalnych. W ramach wspomnianego programu nawiązaliśmy współpracę z różnymi instytucjami zajmującymi się kulturą, archiwizacją, z Biblioteką Jagiellońską,  później z Muzeum na Wawelu  gdzie okazało się, że chemicy mogą też być potrzebni.  Dzieje się tak coraz częściej na świecie, że konserwatorzy sięgają po pomoc chemików. Chemiczne pracownie analityczne pojawiają się w instytucjach kultury, które zatrudniają kwalifikowanych chemików potrafiących analizować skład i strukturę materiałów, z których dzieło sztuki jest zbudowane. Bowiem dzieło sztuki to nie tylko piękno, jego przekaz na różnych poziomach rozumienia i percepcji , ale także i być może u swej podstawy – materia. Bez niej nie byłoby obrazu, rzeźby czy instalacji. W związku z tym chemicy-analitycy są w stanie podpowiedzieć konserwatorom, jak należy przechowywać i konserwować dzieła sztuki i dać racjonalne argumenty dla takich, a nie innych wyborów metod stosowanych przy konserwacji . Wcześniej konserwacja była rzemiosłem i wiedzą opartą na doświadczeniu, ale nie na wiedzy chemicznej i była przekazywana przez pokolenia z mistrza na ucznia. Obecnie się to zmienia, pojawili się w tej dziedzinie chemicy i fizycy, którzy współpracują z konserwatorami. Dożyliśmy takich czasów, gdzie zagadnienia związane z ochroną dóbr kultury stały się bardzo ważne dla społeczeństwa. My taką rolę służebną w tym zakresie staramy się pełnić realizując różne projekty. Do tej pory, prócz ratowania zasobów bibliotek, a w tym Biblioteki Jagiellońskiej, współpracowaliśmy z Muzeum na Wawelu; jeden z projektów poświęcony był ochronie chorągwi państwowych z czasów Zygmunta Augusta. Były to chorągwie jedwabne  przygotowane na jego wesele,  najstarsza pochodziła z 1530 roku o ile pamiętam.  Obecnie są one w złym stanie, dlatego nie są eksponowane. Pytanie, jakie dostaliśmy w tym projekcie, to jak przechowywać teraz i w przyszłości te zbiory i jakie zabiegi chemiczne są potrzebne, aby wyeksponować kiedyś te szalenie dla nas Polaków cenne obiekty. Właściwie określiliśmy najbardziej sprzyjające warunki, w których można je przechowywać i to była większa część projektu. Chemia związana z zabiegami konserwatorskimi jedwabiu  jest skomplikowana zwłaszcza, że musimy mieć gwarancje, że nie narobimy więcej szkód niż pożytku.  Pewnego rozmysłu chemicznego wymaga  również np.  pranie arrasów. Jest to zadanie dla chemika i my w tym względzie pomagamy poprzez dobór środka piorącego, rozpuszczalnika  i identyfikację brudu. Jest to zatem już wieloparametrowe przedsięwzięcie, a pojawia się jeszcze więcej zmiennych, którymi można manewrować,  optymalizować przez co pranie staje się zadaniem również dla chemika.

W sumie nasze działania doprowadziły nas do ogólnej refleksji, bo jeżeli pomyślimy sobie o papierze z jednej strony, a o chorągwiach jedwabnych z drugiej i jeszcze arrasach,  to wyszło nam na to, że zajmujemy się polimerami naturalnymi  i ich trwałością. I to jest druga dziedzina , w której specjalizuje się mój zespół.

-Jak wygląda Państwa współpraca z CiTTRU?                                                                  

Joanna Łojewska: Zaczęła się od wyników naszego projektu z NCNu, który rozwijał akcję COST, właśnie rozpoczynającą się w Europie.  Związana ona była z opracowywaniem inteligentnych materiałów, które byłyby opakowaniami rozmaitych rzeczy. Wymagania stawiane opakowaniom współczesnym są skomplikowane, bo z jednej strony muszą one chronić mechanicznie, ale z drugiej strony także chemicznie i mikrobiologicznie. Ta trójfunkcyjność, czyli ochrona mechaniczna, działanie antybakteryjne czy przeciwgrzybiczne, sorpcyjne dla związków chemicznych czy też nawet katalityczne definiuje termin „ inteligentne opakowania”. Do czego takie opakowania miały być potrzebne? Chociażby do opakowywania żywności. Z jednej strony chcielibyśmy, żeby żywność w opakowaniach była trwała , czyli żeby nie rozwijały się bakterie. Z drugiej strony, sama żywność też ulega pewnej degradacji. Czasami jak otworzymy puszkę albo pudełko, czuć zapach lotnych związków organicznych, czasami niezbyt zachęcających do konsumpcji. Te związki  można zasorpować w materiale opakowania  lub je utlenić katalitycznie. Jednakże opakowania żywości czy leków muszą spełniać warunki nietoksyczności i temu także był poświęcony projekt , który realizował Roman (Roman Jędrzejczyk – przypis I.S.).

Roman Jędrzejczyk: Tak naprawdę na początku tego projektu poza samym pomysłem nie mieliśmy nic. Zaczęliśmy budować nasze opakowanie z  małych cegiełek  i  w trakcie tej budowy napotykaliśmy na różnego rodzaju problemy, zarówno z jego aktywnością , z tym jak on działa i na co, ale również z trwałością. Jednak  udało nam się z tym poradzić. Rezultatem tego były zgłoszenia patentowe, złoty medal na targach wynalazków i nowych technologii w Brukseli i w przyszłości kilka, mam nadzieję dobrych publikacji. Mam też nadzieję na możliwość komercjalizacji i wdrożenia tego pomysłu, który tutaj kiedyś zaświtał w naszym zespole.

Joanna Łojewska: Pracownie Badań Katalizatorów działa nieustannie. Całkiem nowy projekt z NCNu,  projekt OPUS, który obecnie realizujemy ma służyć rozwojowi  badań katalizatorów.  Jest on poświęcony  rozwojowi metod, o których wspomniałam: in situ i operando.  Jego aspekt poznawczy skupiony jest zatem na badaniach powierzchni katalizatorów. Drugim celem będzie przebadanie całej serii rozmaitych tlenków , osadzanych na różnych nośnikach w kontekście reakcji utleniania metalu. Właśnie pojawił się również nowy projekt na ratowanie arrasów. Praca zatem wre w Zespole.

Dr hab. Joanna Łojewska, adiunkt habilitowany na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Kierownik Pracowni Badań Katalizatorów i kierownik Zespołu  Kinetyki Reakcji Heterogenicznych.

Anna Rogowska – mgr chemii.

Roman Jędrzejczyk - mgr inż. technologii chemicznej.

Przemysław Jodłowski -  dr inż. nauk chemicznych.