Fot. dr hab. Elżbieta Megiel, liderka zespołu naukowego z Wydziału Chemii UW, źródło: CTTW UW

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 właściwości katalityczne. Materiały te należą do grupy polimerów koordynacyjnych (z ang. metal-organic frameworks, MOF) o wysokiej porowatości. Twórcy 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 prof. Elżbieta Megiel. Twórcy technologii podkreślają, że zastosowana w utylizacji CO₂ reakcja chemiczna charakteryzuje się 100% efektywnością atomową, a to oznacza, że jako metoda bezodpadowa jest wyjątkowo ekologiczna. Dzięki zastosowaniu opracowanych katalizatorów, które są wysoce selektywne, pozwala uzyskiwać produkty o bardzo dużej czystości. Chodzi tu m.in. o organiczne węglany produkowane obecnie na skalę przemysłową do wielu zastosowań, takich jak elektrolity w bateriach litowo-jonowych, składniki preparatów kosmetycznych i farmaceutycznych i substraty do otrzymywania biodegradowalnych polimerów.

Utylizacja CO₂

W odkrytej technologii kluczowy jest aspekt ekologiczny. Materiały o tak wysokiej porowatości (ich powierzchnia właściwa wynosi od 400 do 700 m² 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 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, a tym samym – następuje jego utylizacja. Jeśli 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 liderka projektu. 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 właściwości katalitycznych po kilkukrotnym zastosowaniu. W trakcie badań rozwojowych zespół potwierdził stabilność odkrytych nanomateriałów do temperatury 400^oC. 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 – zapewnia dr hab. inż. Przemysław Dubel, prof. ucz., dyrektor CTTW UW.

Pochłaniacz CO₂?

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, 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 np. polietylenoimina oraz etylenodiamina. W przypadku amin natomiast nie jest możliwa utylizacja CO₂ 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 np. 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 – podsumowuje prof. Megiel.

Więcej o nowym materiale polimerowym

Nowe materiały polimerowe powstają w wyniku połączenia kwasu 1,4 naftalenodikarboksylowego, 4-aminotriazolu lub 5-aminotetrazolem z klastrami jonów glinu. Mają one postać wysokoporowatego 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 niskokosztowej 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.