Projekti / Programi
Kovinsko-organski porozni materiali za selektivno shranjevanje in pretvorbo CO2 v uporabne produkte
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.03 |
Naravoslovje |
Kemija |
Anorganska kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P305 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija okolja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
kovinsko-organski materiali, zajemanje CO2, pretvorba CO2, polimerni kompoziti
Raziskovalci (11)
Organizacije (2)
Povzetek
Proces zajemanja in nadaljnje uporabe CO2 (CCSU – carbon capture, storage and utilization) predstavlja vse pomembnejši del naprednih tehnologij za izkoriščanje te, v atmosferi razširjene in obnovljive surovine. Selektivna adsorpcija CO2 v trdnih adsorbentih pri blagih pogojih pa je optimalen način shranjevanja plina za nadaljnjo kemijsko procesiranje. Kovinsko-organski materiali (MOFs) imajo veliko adsorpcijsko kapaciteto selektivnega zajemanja CO2, katalitsko aktivna mesta v njihovih kristalnih strukturah pa omogočajo tudi katalitsko pretvorbo CO2 v uporabne produkte. Specifične kemijske in strukturne lastnosti MOFov omogočajo kontrolirano vključevanje adorpcijskih in katalitskih mest v njihove strukture, zato MOFi predstavljajo enega izmed najobetavnejših sistemov za CCSU procese.
V predlaganem projektu bomo razvili nove bi-funkcionalne kovinsko-organske materiale s sposobnostjo selektivnega zajemanja CO2 in njihove učinkovite pretvorbe v uporabne organske produkte. Projekt bo vključeval dva glavna cilja: (1) razvoj MOFov s primerno posintezno vključevanje funkcionalnih mest. Funkcionalizacija bo potekala z delno vgradjno primarnih aminov ali molekul s kvartarnimi amonijevimi skupinami z namenom izboljšave interakcije plinskih molekul CO2 z ogrodno strukturo in s tem povečanja kapacitete shranjevanja plinov in njihovo aktivacijo pri blagih pogojih; (2) uporaba izbranih MOF sistemov za selektivno zajemanje CO2 iz plinskih mešanic (npr. CO2/N2, CO2/CH4 ali CO2/N2/O2) v prvi fazi in testi katalitske cikloadicije eposkidov v ciklične karbonate v prisotnosti zajetega CO2 v drugi fazi. Študije bodo vključevale tudi vpliv prisotnosti kokatalizatorjev (kvartarne amonijeve soli) na katalitsko učinkovitost. Kot nadgradnja, bomo izbrane kovinsko-organske materiale z najobetavnejšimi sorpcijskimi in katalitskimi lastnostmi integrirali v makroporozne polimerne matrice (polymer high internal phase emuksion – polyHIPE) in tako oblikovali MOF membrane ali monolite željenih dimenzij. Za razvoj MOF/polyHIPE kompozitov bomo uporabili dve strategiji: (1) direktno vmešavanje MOF faz v monomerno emulzijo in nadaljnja polimerizacija in oblikovanje v premerno membrano ali monolit; (2) inovativni pristop sekundarne kristalizacije MOFov iz kovinsko-oksidnih prekurzorjev vključenih v polyHIPE polimer s solvotermalnimi procesi, ki smo ga razvili v naši razikovalni skupini. Tak način priprave kompozitov omogoča neomejen način oblikovanja in lahko dostopnost aktivne faze (MOFov) zaradi makroporoznosti polimerne matrice.
Uporaba MOF adsorbentov/katalizatorjev za sintezo cikličnih karbonatov predstavlja ekonomsko sprejemljivejšo alternativo do sedaj znanim sinteznim postopkom, ki se izvajajo pod visokimi tlaki in temperaturami. Prav tako je razvoj MOF-polimernih kompozitov v obliki membran ali monolitov, ki bi bistveno razširila njihovo uporabnost, še vedno v začetni fazi. Sintezni postopek sekundarne rasti MOFov iz kovinsko-oksidnih prekurzorjev vključenih v polyHIPE polimer pa je nov pristop razvoja MOF/polimernih kompozitov, ki v literaturi še ni znan. Ta sintezni postopek bi omogočal mehansko stabilnejše kompozite z večjim deležem MOF faze v polimerni matrici, kot je bilo do sedaj doseženo z drugimi postopki. Nov koncept omogoča razvoj velika širokega spektra novih MOF/polimernih heterostruktur tudi za številne druge aplikacije (prečiščevanje plinov, senzorske aplikacije, itd.).
Pomen za razvoj znanosti
Zanimanje za raziskave na področju MOFov že desetletje strmo narašča. Pomembne izboljšave in odkritja na tem področju so zato zelo odmevni med velikim številom svetovne raziskovalne javnosti. Projekt predlaga strategijo razvoja novih multifunkcionalnih MOF sistemov. Doseženi cilji predstavljajo dve glavni novosti, ki do sedaj v literaturi še niso opisane: (1) zagotavljanje selektivnega zajemanja in hkrati tudi pretvorbo CO2. Tak sistem bi omogočal prečiščevanje tehnoloških plinov z večjo vsebnstjo CO2 in pridobivanje uporabnih organskih produktov; (2) nov način oblikovanja MOFov v MOF/polimerne monolite iz kovinsko-oksidnih prekurzorjev.
Doseženi cilji (vmesni, kot tudi končni) bodo omogočali objave v uglednih znanstvenih revijah z visokimi faktorji vpliva. Prilagodljivost pristopov modifikacije in oblikovanja MOFov v monolite pa omogočajo razširitev koncepta na veliko večji nabor MOFov, ki jih bomo razvijali in nadgrajevali tudi po končanem projektu. Objavljeni pristopi bodo imeli tudi velik vpliv na področju MOF znanosti tudi na svetovnem nivoju. To bo omogočalo lažje povezovanje v nove konzorcije za prijave evropskih projektov, kar bi še pospešilo nadaljnji razvoj koncepta za aplikacije zajemanja in pretvorbe CO2. Nova dodatna potencialna odkritja in spoznanja, ki niso predmet projektnih raziskav in bi jih lahko pridobili med raziskovalnim delom, pa bodo omogočala tudi usmeritev na druga na druga aplikativna področja, ki jih bomo lahko dodatno raziskovali v novih projektih v prihodosti. Raznolikost metodologij, ki bodo uporabljene v projektu (sintezni postopki za načrtovanje novih materialov, adsorpcija plinov, kataliza) in združene v en sistem zagotvaljajo rezultate ki imajo lahko pomemben vpliv pri nadaljnjem razvoju novih MOFov in kompozitov za CCSU tehnologije.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomemben del projekta je posvečen tudi raziskovanju možnosti prenosa novih bifunkcionalnih MOFov v uporabne sisteme z integracijo v MOF/polyHIPE monolite. Pridobljeni rezultati teh raziskav bo lahko osnova za povezovanje v konzorcije za prijave aplikativnih projektov, s sodelujočimi industrijskimi partnerji. Razvoj naprednih tehnologij ogljičnega zajemanja in hranjenja (CCS) je za industrijo namreč izjemnega pomena. Produkti, ki bi se lahko v prihodnosti razvili iz rezultatov aplikativnih projektov, bi bili lahko predvsem intergrirani v manjše, pilotne sisteme za prečiščevanje tehnoloških plinov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
