Projekt GAČR s názvem „Vývoj nových organicko-anorganických kompozitních materiálů na bázi dendrimerů jako efektivních sorbentů plynů a par“ hodnocen stupněm ‚Vynikající‘

Bilaterální projekt zaměřený na podporu mezinárodní spolupráce v základním výzkumu na základě podepsaných mezinárodních dohod o spolupráci mezi GAČR a NSTC (National Science and Technology Council), Tchaj-wan. Spolupracujícími partnery v tomto projektu byly Ústav chemických procesů AV ČR (řešitelka projektu Kateřina Setničková) a Chung Shan Medical University v Taichungu (řešitelka projektu prof. Hui-Hsin Tseng).

Antropogenní oxid uhličitý je považován za jednu z hlavních příčin skleníkového efektu odpovědného za globální oteplování. Pro snížení emise skleníkových plynů je nezbytný vývoj nových technologií pro výrobu energie s minimálními emisemi CO₂ a zároveň je nutné hledat nové postupy zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Kateřina Setničková se dlouhodobě zabývá problematikou odstraňování CO₂ z plynných směsí zejména s využitím membránových technologií a v posledních letech se rovněž zaměřuje na adsorpci plynů v materiálech. Tento proces je považován za účinnou alternativu zachycování CO₂, která nabízí možné úspory energie ve srovnání s jinými zavedenými separačními postupy.

Cílem projektu byl výzkum zaměřený na vývoj nových kompozitních materiálů a systémů pro efektivní zachycování/separaci plynů a par, zejména CO₂. Klíčovými úkoly byly 1) syntéza dendritických látek, příprava nosičů a kompozitních materiálů vhodných sorpčních vlastností a jejich charakterizace, a dále 2) návrh a konstrukce experimentálních zařízení pro sorpční a permeační měření potřebných k vyhodnocení separační účinnosti připravených materiálů.

Přestože byla kvůli pandemii Covid-19 spolupráce mezi oběma laboratořemi omezena fakticky na více než 2 roky a oba týmy tak byly nuceny pracovat víceméně samostatně, podařilo se získat zajímavé výsledky, které byly publikovány v prestižních vědeckých časopisech.

V rámci projektu byla připravena a testována řada materiálů pro separaci CO₂:

• Vrstvené silikáty na bázi montmorillonitu funkcionalizované dendritickými modifikátory (ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020, 8, 11692-11703. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c03367, Q1).

U všech materiálů se po modifikaci dendrimery zvýšila adsorpční kapacita CO₂ i selektivita CO₂/CH₄ a CO₂/N₂ (až o 200 %). Nicméně adsorpční kapacita materiálu na bázi montmorillonitu byla ve srovnání s jinými materiály studovanými jako CO₂ adsorbenty nižší (< 1 mmol/g).

• CMS (carbon molecular sieve) – materiály na bázi uhlíkatých molekulových sít s vynikajícími parametry pro separaci CO₂. Použití CMS ve formě tenké selektivní vrstvy vícevrstvých anorganických membrán se ukázalo jako velmi slibná aplikace pro efektivní separaci CO₂/CH₄. Výkonnost připravených CMS materiálů přesáhla Robesonovu limitu představující ukazatel kvality membrán (Separation and Purification Technology 2021, 269, 118627-118636, DOI: 10.1016/j.seppur.2021.118627, D1).

• Zesíťované porézní polymery na bázi styrénu, modifikované aminoskupinami (aminy, dendrimer), vykazovaly velký vnitřní povrch, který sice po funkcionalizací mírně poklesl, ale jejich selektivní adsorpce k CO₂ oproti CH₄, N₂ a H₂ výrazně vzrostla (Polymers 2023, 15, 13. DOI: 10.3390/polym15010013, Q1).

• Křemičité materiály modifikované aminosilany (struktura podobná dendrimeru) a dendrimery vykazovaly velký vnitřní povrch, který byl po aminaci snížený, avšak adsorpční kapacita CO₂ se po aminaci zvýšila až 4krát při atm. tlaku a 25 °C, takže tento materiál se jeví pro zachycování CO₂ jako velmi perspektivní (publikace se připravuje).

• Pro stanovení sorpce plynů a par v různých materiálech a pro rychlé vyhodnocení separačního výkonu systému jsme navrhli několik unikátních zařízení a originálních postupů (Journal of Membrane Science 2022, 661, 120867. DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120867, D1; Separation and Purification Technology 2023, 306, 122604. DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122604 , D1; Chemical Engineering Journal 2022, 450, 138233. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138233, D1).

Znázornění principu vyhodnocení sorpce plynu v polymerním materiálu na základě permeačního experimentu pomocí nově navrženého zařízení

Největší obtíže při řešení projektu byly spojené s modifikací materiálů dendrimery. Dendrimery totiž představují prostorově náročné molekuly, což je příčinou jejich omezené interakce s matricí. Další komplikací je možnost vazby dendrimeru pouze přes koncové funkční skupiny cílené právě pro adsorpci CO₂. Možnou cestou řešení těchto problému se při budoucím výzkumu v dané problematice jeví aplikace dendronů (dendritických klínů), které jsou mnohem menší a mohou se vázat na nosič přes atom jádra, čímž se nesnižuje využitelnost funkčních skupin jako vazebných míst pro reakci s CO₂.