Przekształcanie odpadowego dwutlenku węgla w zasoby węglowe
Wykorzystanie paliw kopalnych wiąże się z szeregiem problemów, wśród których można wymienić między innymi fakt, że ich zasoby są ograniczone, a dodatkowo ich spalanie powoduje emisję dwutlenku węgla (CO2), który stanowi przyczynę zmian klimatycznych. Oba te czynniki stwarzają nowe wyzwania dla branży chemii organicznej, która wykorzystuje paliwa kopalne jako surowce w swoich procesach przemysłowych. Pomimo faktu, że dwutlenek węgla może zostać przetworzony w składnik wykorzystywany do produkcji organicznych substancji chemicznych, odpadowy CO2 jest trudny do przetworzenia ze względu na kwestie związane z termodynamiką i kinetyką. Zanim przetworzony dwutlenek węgla będzie mógł być wykorzystywany jako surowiec lub materiał, konieczne jest opracowanie prostego procesu umożliwiającego jego przekształcanie – właśnie to było celem finansowanego przez UE projektu CO2Recycling (A Diagonal Approach to CO2 Recycling to Fine Chemicals). Korzystając z tak zwanego przekrojowego podejścia, naukowcy skupieni wokół projektu opracowali nowatorską metodę przemiany katalitycznej, w ramach której zachodzi jednoetapowa reakcja z udziałem dwutlenku węgla. Dzięki wykorzystaniu odczynnika funkcjonalizującego (substancji lub związku dodawanego do układu w celu wywołania reakcji chemicznej) oraz reduktora, który może być niezależnie zmieniany, w ramach procesu naukowcy mogą wytwarzać różnorodne cząsteczki. „Proces opracowany w ramach projektu CO2Recycling umożliwia nam wykorzystywanie dwutlenku węgla w celu syntezy amin, estrów i amidów, które dotychczas były pozyskiwane z paliw kopalnych”, wyjaśnia Thibault Cantat, koordynator projektu CO2Recycling. „Uzyskane w ten sposób materiały mogą być następnie wykorzystane jako surowce do produkcji ważnych cząsteczek takich jak metyloaminy, akryloamid czy kwas metyloadypinowy”.
Zrozumieć przekształcenia CO2
Wykorzystując katalizatory molekularne w celu aktywacji dwutlenku węgla, a także odpowiednie reduktory (hydrosilany, hydroborany, kwas mrówkowy), naukowcy odkryli szereg nowych przemian katalitycznych, w wyniku których dwutlenek węgla uległ po raz pierwszy przemianie w metyloaminy. Naukowcy skutecznie udowodnili również możliwość tworzenia estrów oraz poliestrów w wyniku reakcji dwutlenku węgla z organosilanami. Ponadto zespół odkrył także przemiany, które dotychczas były możliwe wyłącznie z użyciem substancji petrochemicznych, a dzięki którym udało im się uzyskać mocznik, kwasy karboksylowe i metanol. Jak uważa Cantat, wyniki przeprowadzonych badań pozwalają na lepsze zrozumienie procesu aktywacji i przemian dwutlenku węgla, a także stanowią źródło bezcennych informacji dotyczących podstawowych sposobów działania organokatalizatorów w chemicznych reakcjach redukcji. „Projekt CO2Recycling udowodnił, że stosowanie przekrojowego podejścia jest doskonałą strategią umożliwiającą skuteczne przygotowywanie funkcjonalnych substancji chemicznych z dwutlenku węgla”, twierdzi Cantat. „Rezultaty są łatwe do przeniesienia na inne pola, a nasze odkrycia mają szereg innych praktycznych zastosowań. Podstawowe substancje chemiczne, takie jak między innymi metyloaminy, estry oraz aldehydy, były już dotychczas przygotowywane z wykorzystaniem CO2”.
Zrównoważony przemysł chemiczny
Realizacja projektu CO2Recycling doprowadziła do złożenia 12 wniosków patentowych związanych z przekształcaniem dwutlenku węgla, a także pośrednio z produkcją wodoru molekularnego oraz konwersją tlenku węgla. Ponadto dzięki projektowi kilkoro młodych naukowców mogło również zdobywać dodatkową wiedzę, dzięki czemu siedmioro naukowców ze stopniem doktora oraz doktorantów rozpoczęło kariery akademickie w roli profesorów i badaczy. Warto jednak zauważyć, że projekt CO2Recycling stanowił wyłącznie punkt wyjścia dla trwającego wiele lat programu badawczego, którego celem jest rozwiązanie wyzwań naukowych w zakresie wykorzystania odnawialnych surowców węglowych (CO2, biomasy i odpadów z tworzyw sztucznych) w celu poprawy zrównoważonego rozwoju przemysłu chemicznego. „Cieszę się, że nasz projekt położył podwaliny pod dalsze badania dotyczące tej wizji, a także że możemy kontynuować nasze prace dzięki dotacji ERBN dla naukowców u progu samodzielności badawczej”, dodaje Cantat.
Słowa kluczowe
CO2Recycling, CO2, węgiel, recykling, przemysł chemiczny, paliwa kopalne, zmiany klimatu, chemia organiczna, substancje petrochemiczne
