To, co dotychczas stanowiło problem dla środowiska, może stać się paliwem przyszłości. Zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego opracował nanokatalizator, który potrafi w ekologicznych warunkach przekształcać odpadowy glicerol oraz dwutlenek węgla w cenny związek chemiczny – węglan glicerolu (GLC). Substancja ta znajduje szerokie zastosowanie w nowoczesnych technologiach, od baterii litowo-jonowych po bioplastiki i farmaceutyki.
Nowy katalizator pozwala w sposób ekonomiczny i przyjazny środowisku wykorzystywać to, co do tej pory uznawano za niepotrzebny balast przemysłu – dwutlenek węgla (główny gaz cieplarniany) oraz glicerol, uboczny produkt produkcji biopaliw. Jak podkreślają badacze z UW, oba te związki powstają w ogromnych ilościach, a ich utylizacja bywa kosztowna i kłopotliwa.
– Opracowany katalizator pozwala prowadzić reakcję w warunkach umiarkowanego ciśnienia i temperatury, które można odtworzyć w standardowych reaktorach przemysłowych. Nie ma etapów, które ograniczałyby produkcję w większej skali – tłumaczy dr hab. Michał Wójcik, współautor badań opublikowanych w czasopiśmie Journal of CO₂ Utilization.
Nanokatalizator będący mikrofabryką
Podstawą wynalazku jest materiał należący do klasy tzw. metal-organic frameworks (MOF), czyli szkieletów metaloorganicznych – struktur porowatych, w których metalowe jony połączone są cząsteczkami organicznymi, tworząc trójwymiarową sieć mikroskopijnych kanalików. W ich wnętrzu można „uwięzić” lub przetwarzać cząsteczki gazów i cieczy.
W tym przypadku naukowcy z Laboratorium Nanomateriałów Organicznych i Laboratorium Technologii Organicznych Materiałów Funkcjonalnych UW, we współpracy z Uniwersytetem w Lund (Szwecja), stworzyli własną odmianę MOF-u zawierającą cer (Ce-MOF). W jego mikroporach umieszczono nanoklastry palladu (Pd) i miedzi (Cu). Tak powstał materiał nazwany PdCu@MOF-Ce, który działa niczym mikroskopijna fabryka: każdy atom metalu aktywnie uczestniczy w reakcji, przetwarzając odpady w surowiec.
– To trochę jak w ludzkich pęcherzykach płucnych czy fałdach jelita cienkiego. W obu przypadkach zwiększenie powierzchni wymiany pozwala na intensywniejsze procesy. W nanocząstkach jest podobnie – ich ogromna, aktywna powierzchnia sprawia, że reakcje chemiczne zachodzą znacznie szybciej i wydajniej – obrazowo wyjaśnia dr Wójcik.
Z odpadów do baterii przyszłości
W wyniku reakcji katalizowanej przez PdCu@MOF-Ce powstaje węglan glicerolu (GLC) – substancja, która ma ogromne znaczenie dla nowoczesnych technologii. Stosuje się ją m.in. jako rozpuszczalnik i stabilizator elektrolitów w bateriach litowo-jonowych, używanych w samochodach elektrycznych, smartfonach i dronach. GLC wykorzystywany jest także w produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych, kosmetyków i leków.
Dotychczas proces jego wytwarzania był kosztowny i energochłonny – wymagał wysokiego ciśnienia, temperatury i czystych reagentów. Nowy katalizator z UW eliminuje te ograniczenia: reakcja przebiega w niższej temperaturze i bez toksycznych substancji, a sam materiał jest trwały i może być wielokrotnie używany.
Polska technologia z potencjałem przemysłowym
Zaprojektowany przez warszawski zespół katalizator łączy w sobie cechy badań podstawowych i zastosowań praktycznych. Technologia została już objęta ochroną patentową Uniwersytetu Warszawskiego. Obecnie naukowcy planują rozwój koncepcji, testując tańsze metale oraz inne reakcje chemiczne z udziałem CO₂, które mogłyby prowadzić do powstania równie wartościowych produktów.
Maria Poniatowska / PAP
