PDF Basket
Unijny sektor przemysłowy odpowiada za zużycie około 70 miliardów metrów sześciennych gazu ziemnego rocznie, z czego około 15 % wykorzystuje się jako surowiec chemiczny w procesie znanym jako kataliza heterogeniczna, służąca do wytwarzania całego wachlarza produktów, od nawozów po środki aromatyzujące.
„Ludzie zwykle nie przywiązują do tego wagi, ale jesteśmy w ogromnym stopniu uzależnieni od tej technologii”, zauważa Jeremy Scott Luterbacher ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie, koordynator projektu CATACOAT.
„Nie istnieje ani jedna cząsteczka benzyny, ani jedna cząsteczka plastiku, która nie weszłaby w pewnym momencie w reakcję z heterogenicznym katalizatorem, jakim zwykle jest tlenek metalu. Gdybyśmy zatrzymali katalizę heterogeniczną, społeczeństwo bardzo szybko przestałoby funkcjonować”.
Ochrona katalizatorów reagujących z surowcami odnawialnymi
Dla wielu substancji chemicznych wykorzystywanych w przemyśle głównym surowcem są paliwa kopalne, jednak obecnie trwają skoordynowane prace mające na celu zmianę tego stanu rzeczy i przejście na odnawialne źródła węgla, takie jak rośliny. Niestety, problemem są niepożądane reakcje zachodzące pomiędzy heterogenicznymi katalizatorami i roślinnymi substytutami surowców, przez co ich praktyczne użycie jest utrudnione. Katalizatory heterogeniczne są zwykle wrażliwe na wodę, która występuje w surowcach roślinnych, a ponadto zawierają metale, które przedostają się do tej wody podczas przetwarzania.
Celem projektu CATACOAT, wspieranego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, było pokonanie tego wyzwania dzięki pokryciu cząsteczek katalitycznych warstwą ochronną, która ma umożliwić wykorzystanie ich w związkach wody o wysokiej zawartości tlenu. „Podstawowa koncepcja była stosunkowo prosta”, mówi Luterbacher. „Chcieliśmy przekształcić konwencjonalne katalizatory, które są dość wrażliwe na interakcje z surowcami odnawialnymi, w bardziej odporne materiały”.
Głównym wyzwaniem było to, że cząsteczki katalityczne wymagały zabezpieczenia przed surowcem, mimo że do prawidłowego działania nadal musiały być z nim w bliskim kontakcie. Oznaczało to, że warstwa ochronna musiała być porowata i niewyobrażalnie cienka – o grubości mieszczącej się w zakresie od zaledwie 5 do 50 atomów. Aby było to możliwe, zespół opracował i przetestował nowe techniki osadzania cienkich warstw tlenków metali.
„Udało nam się wykazać, że możemy zapewnić tym katalizatorom swoisty »pancerz«, a następnie wykorzystać je w procesie przetwarzania odnawialnych surowców węglowych pochodzenia roślinnego”, dodaje Luterbacher. „W takich warunkach konwencjonalne katalizatory normalnie uległyby zniszczeniu”.
Kontrola katalizatorów na poziomie atomów
Zespołowi projektu udało się nie tylko osiągnąć swój główny cel, ale dokonać również kilku nieoczekiwanych odkryć. „Wiele uwagi poświęciliśmy próbom kontrolowania uwarstwienia powłoki”, mówi Luterbacher. „W ten sposób stworzyliśmy bardzo interesujące podejście”.
Podczas tworzenia warstwy ochronnej – atom po atomie – zespół odkrył, że można układać te warstwy z pojedynczej „kotwicy” na powierzchni docelowej cząsteczki, uzyskując swego rodzaju klaster utworzony z atomów. Chociaż prace te wciąż znajdują się w powijakach, technika ta mogłaby pozwolić naukowcom w większym stopniu kontrolować cząsteczki na poziomie atomowym, umożliwiając im kształtowanie lepszych, bardziej skutecznych katalizatorów.
„Uważamy, że może to być uniwersalne narzędzie nadające się do wielu zastosowań przemysłowych”, podkreśla Luterbacher. „Niektóre z tych zastosowań mogą okazać się skuteczne, inne nie. Obecnie nie jesteśmy w stanie tego stwierdzić, ale to niesamowite osiągnięcie”.
Perfumy, tworzywa sztuczne, i nie tylko
Wyniki projektu CATACOAT okazały się niezwykle użyteczne na potrzeby komercyjnego przedsięwzięcia, rozpoczętego wcześniej przez laboratorium Luterbachera z myślą o wprowadzaniu na rynek rezultatów prowadzonych w nim nowoczesnych badań. „Celem tej spółki spin-off jest znalezienie sposobu na wytwarzanie odnawialnych chemikaliów na bazie roślin i zastąpienie nimi związków chemicznych opartych na paliwach kopalnych”, wyjaśnia. „Wśród potencjalnych zastosowań końcowych można wymienić substancje smakowe i zapachowe, a także biomateriały i bioplastik”.
Ponadto zdaniem Luterbachera, dzięki projektowi jego laboratorium miało możliwość opracowania i skonsolidowania specjalistycznej wiedzy zarówno z zakresu katalizy heterogenicznej, jak i fitochemii. W dłuższej perspektywie pomoże to podmiotom z sektora przemysłowego znaleźć sposób na przejście na chemikalia odnawialne. „Dlatego tak ważne są badania podstawowe, takie jak nasze”, dodaje. „Musimy inwestować w pomysły, których wyniki niekoniecznie muszą być od razu przydatne w praktyce, ale które mogą okazać się kluczowe na dalszych etapach”.