Katalizatory niezawierające metalu zamiast katalizatorów opartych na metalu
Celem finansowanego ze środków UE projektu FREECATS (Doped carbon nanostructures as metal-free catalysts) było umożliwienie bardziej ekologicznego, a tym samym bardziej zrównoważonego wytwarzania substancji chemicznych i towarów. W ramach projektu współpracowało ze sobą dziesięć europejskich instytucji badawczych w celu opracowania materiałów zawierających węgiel, które zastąpią metale w reakcji katalizy. Kataliza jest jednym z głównych pochłaniaczy metali szlachetnych, takich jak pallad i platyna. Wiele gałęzi przemysłu przetwórczego wykorzystuje katalizatory oparte na metalach szlachetnych w celu przyspieszenia reakcji i zwiększenia wydajności. Jednak metale z grupy platynowców nie występują powszechnie w Europie, co zmusza badaczy do poszukiwania bardziej dostępnych opcji. Katalizatory węglowe mogą być tym, na co czeka przemysł chemiczny. Ten nowy typ katalizatorów niezawierających metalu może powodować mniej zanieczyszczeń dzięki wyższej selektywności. Innymi słowy ryzyko powstawania niepożądanych produktów ubocznych, które mogą być szkodliwe dla środowiska, jest znacznie ograniczone. Zespół projektu FREECATS skupiał się na rozwoju katalizatorów do produkcji ogniw paliwowych, wytwarzania olefin i uzdatniania wody. Zastąpienie katalizatorów platynowych tymi trzema technologiami doprowadzi do znacznego obniżenia wysokiego popytu w Europie — w szczególności popytu w branży motoryzacyjnej. Katalizatory oparte na metalach szlachetnych są powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, w którym katalizatory oparte na metalach z grupy platynowców są wykorzystywane do oczyszczania gazów spalinowych. To może być niepowtarzalna okazja do stworzenia alternatywnych rozwiązań niezawierających metalu, jednak partnerzy projektu nie szukali zastosowań katalizatorów węglowych w tym obszarze. Dzięki wykorzystaniu nanotechnologii i atomów jako bloków budowlanych uczeni stworzyli struktury węglowe w postaci luźnych nanomateriałów lub hierarchicznie zorganizowanych struktur. Nowymi materiałami węglowymi są nanorurki lub nanowłókna domieszkowane substancjami zmieniającymi ich gęstość elektronową. Najczęściej badane materiały węglowe były domieszkowane azotem i wykazywały znacząco inną aktywność katalityczną w porównaniu do ich niedomieszkowanych odpowiedników. Jednak można również stosować bor i fosfor w zależności od rodzaju katalizowanej reakcji chemicznej. Naukowcy rozważali zastosowanie tej technologii w przyszłych projektach samochodów. W szczególności katalizatory węglowe mogą być wykorzystywane w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii w drodze reakcji tlenu i wodoru. Redukcja tlenu jest obecnie osiągana za pomocą katalizatorów platynowych, ale katalizatory węglowe również mogłyby katalizować tę reakcję. Drugim zastosowaniem o ogromnym potencjale jest produkcja olefin. Są one szeroko stosowane w przemyśle chemicznym jako prekursory surowców poliolefin — polietylenu i polipropylenu. Nowe katalizatory są wysoce selektywne i wytwarzają większe ilości pożądanego związku, ale mniej niepożądanych produktów ubocznych. Nowa technologia katalizy może również znaleźć zastosowanie w procesach uzdatniania wody, co zwiększyłoby ilość dostępnej wody pitnej. Przed zakończeniem projektu FREECATS badacze zademonstrowali możliwości katalizatorów węglowych w zakładzie pilotażowym. Katalizatory niezawierające metalu opracowane w ramach projektu FREECATS stanowią poważną konkurencję dla istniejących katalizatorów opartych na metalach szlachetnych, które są powszechnie uważane za podstawę wielu branż. Prowadzone są dalsze badania w celu dodatkowego zwiększenia wydajności technologii opracowanej w ramach projektu.
Słowa kluczowe
Katalizatory niezawierające metalu, nanotechnologia, FREECATS, nanostruktury węglowe, kataliza
