Mielenie – ekologiczny przepis z WAT na nagrodzone Noblem MOF-y

Nagrodzone tegorocznym Noblem z chemii struktury metaloorganiczne o wyjątkowych właściwościach są otrzymywane m.in. w Wojskowej Akademii Technicznej. „Do otrzymywania MOF-ów stosujemy metodę mechanochemiczną” – mówi prof. dr hab. inż. Jerzy Choma z Wydziału Nowych Technologii i Chemii.

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Susumu Kitagawa (Japonia), Richard Robson (Australia) i Omar M. Yaghi (USA) za opracowanie porowatych struktur metaloorganicznych (MOF – metal-organic frameworks).

Jak wyjaśnia prof. Jerzy Choma w komentarzu dla PAP, nowa klasa krystalicznych materiałów porowatych ma bardzo interesujące właściwości fizykochemiczne, a możliwości ich praktycznego zastosowania są olbrzymie. „Za ich pomocą można adsorbować dwutlenek węgla, oczyszczać wodę z substancji niebezpiecznych, magazynować wodór, a nawet dostarczać leki do organizmu człowieka” – wylicza ekspert WAT.

EKOLOGICZNY I SKUTECZNY PROCES MIELENIA

Prof. Jerzy Choma wskazuje, że MOF-y można otrzymać wieloma metodami. Wymienia tu metodę solwotermalną, reakcje wspomagane promieniowaniem mikrofalowym czy ultradźwiękami, syntezę mechanochemiczną oraz elektrochemiczną. Masowa produkcja MOF-ów jest nadal ograniczona, głównie ze względu na mało ekologiczne i złożone metody syntezy. „Zielonych” alternatyw poszukują naukowcy w wielu laboratoriach na świecie.

W Instytucie Chemii Wojskowej Akademii Technicznej naukowcy otrzymują „noblowskie” materiały od kilku lat w mechanicznym procesie mielenia. W ocenie prof. Chomy, mechanochemia oferuje wydajną i przyjazną dla środowiska metodę syntezy różnych MOF-ów. Badacz współpracuje w tym obszarze m.in. z prof.  Mieczysławem Jarońcem z Kent State University w Ohio (USA). Polscy eksperci uważają, że szybka i mało rozpuszczalnikowa mechanosynteza jest skuteczną i ciekawą metodą otrzymywania tych zaawansowanych materiałów porowatych.

„Typowa reakcja mechanochemiczna opiera się na procesie mielenia. Mielenie stałych substratów zwykle polega na zapewnieniu lepszego kontaktu między substratami. Reakcja zachodzi w wyniku zmniejszenia wymiaru cząstek, dokładnego wymieszania reagentów, tworzenia świeżej powierzchni do kontaktu, a także ogrzewania reagentów wskutek tarcia” – tłumaczy prof. Choma.

Ekspert zaznacza, że podczas procesu mielenia ciał stałych reakcja może zachodzić tylko na powierzchni reagentów, a nie w całej ich objętości. Dlatego kluczowe znaczenie ma generowanie świeżych, aktywnych powierzchni, na których cząsteczki mogą się kontaktować i reagować. Więcej na ten temat: Wykorzystanie metody mechanochemicznej do otrzymywania MOF-ów.

W laboratorium Zakładu Chemii w WAT naukowcy otrzymali metodą mechanochemiczną następujące materiały: MOF-303, ZIF-8, UiO-66 i CuBTC. Opis metody otrzymywania i charakterystykę ich właściwości adsorpcyjnych można znaleźć TUTAJ.

SPOSÓB NA MAGAZYNOWANIE WODORU I CORAZ TO NOWE ZASTOSOWANIA

Jak tłumaczy prof. Choma, spektrum zastosowań związków metaloorganicznych ciągle się rozszerza i obejmuje różne dziedziny, począwszy od magazynowania lub usuwania gazów do wykorzystywania tych materiałów do budowy czujników chemicznych oraz luminoforów, także do stosowania ich w medycynie jako nośników leków.

„Ze względu na bardzo dobre właściwości adsorpcyjne, rekordowo duże powierzchnie właściwe i duże objętości porów, związki te są intensywnie badane między innymi jako adsorbenty do usuwania bądź magazynowania gazów, na przykład dwutlenku węgla, wodoru czy metanu” – mówi chemik z WAT.

Podkreśla, że MOF-y tym różnią się od innych adsorbentów, że ich struktura porowata może się zmienić pod wpływem bodźców zewnętrznych. Można też dopasować wymiary porów do wymiarów adsorbowanej cząsteczki.

„W celu zwiększenia pojemności adsorpcyjnej, sieci metaloorganiczne, poddawane są często aktywacji, polegającej np. na usunięciu cząsteczek rozpuszczalnika pozostałego po syntezie w porach. Zwiększenie adsorpcji na MOF-ach można też osiągnąć poprzez modyfikację tych materiałów (w trakcie syntezy lub po syntezie). Modyfikacja umożliwia kontrolę ich właściwości fizykochemicznych, ale przede wszystkim optymalizację struktury porowatej” – dodaje naukowiec.

Jak przypomina prof. Choma, MOF-y są zbudowane z jonu metalu (węzła metalicznego) oraz ligandów organicznych (łączników/mostków) połączonych wiązaniem koordynacyjnym. Są to materiały znane od ponad dwudziestu lat, a liczba otrzymywanych hybryd organiczno-nieorganicznych (MOF) rośnie z roku na rok.

Prof. Jerzy Choma kierował m.in. projektem badawczym „Otrzymywanie i badanie adsorpcyjnych właściwości hybrydowych materiałów MOF-grafen” finansowanym przez NCN.