Sukces polskich chemików może pomóc ekologom

WP: Przeprowadziliście Panowie analizy za pomocą spektrometru paramagnetycznego rezonansu elektronowego (EPR - ang. electron paramagnetic resonance), które ukazały zmiany stanu utlenienia atomu metalu, jaka zachodziła w katalizatorze. Udało Wam się odkryć, iż w trakcie reakcji katalitycznej, atom kobaltu tworzący centrum aktywne katalizatora zmienia swój stopień utlenienia z 2+ na 0. Proszę powiedzieć w kilku słowach, dlaczego tak ważne jest to odkrycie i kiedy będzie można zastosować je w praktyce.

Prof. dr hab. Zbigniew Sojka, dr Piotr Pietrzyk: Zmiany stopnia utlenienia centrum metalicznego katalizatora definiują układ redoksowy (dwie formy kobaltu, między którymi zachodzi wymiana elektronów), który warunkuje przebieg katalitycznej reakcji redukcji tlenków azotu za pomocą propylenu. Technologia redukcji tlenków azotu węglowodorami może być potencjalnie zastosowana do oczyszczania mieszanek gazów spalinowych bogatych w tlen z tlenków azotu, które są odpowiedzialne między innymi za tzw. kwaśne deszcze. Ponieważ redukcja ta prowadzi do cząsteczkowego azotu, pociąga ona za sobą zmianę stopnia utleniania tego pierwiastka. Dlatego też jedną z ról centrum aktywnego katalizatora jest umożliwienie procesu wymiany elektronów, czyli utworzenie układu redoksowego. Jego identyfikacja, choć istotna, nie stanowi jeszcze przełomu, lecz jest dołożeniem kolejnego, z punktu widzenia poznawczego dość istotnego elementu do skomplikowanej układanki, jaką stanowi zrozumienie mechanizmu reakcji redukcji tlenków azotu na
poziomie molekularnym na katalizatorach kobaltowych. W żaden sposób nie oznacza to jednak, iż ten właśnie układ stanie się podstawą katalizatora finalnego, bo do praktycznego zastosowania należy rozwiązać wiele innych istotnych problemów związanych np. z obecnością pary wodnej, która niekorzystnie wpływa na przebieg głównej reakcji.

WP: Rozumiem, że wcześniejsze badania oparte na spektroskopii nie umożliwiały dojścia do wniosków, do jakich Panowie doszli. Proszę powiedzieć na czym polega nowatorstwo Pańskiej metody i dlaczego wcześniej to się nie udawało.

- Myślę, iż "nowatorstwo" naszej metody polegało po prostu na wnikliwej analizie widm elektronowego rezonansu paramagnetycznego za pomocą symulacji komputerowej. Dodatkowo współczesne narzędzia chemii kwantowej pozwoliły na obliczenie parametrów spektroskopowych uzyskiwanych na drodze eksperymentalnej, co okazało się niezwykle pomocne w ich interpretacji. Komputerowa spektroskopia (połączenie symulacji i obliczeń kwantowo-chemicznych parametrów widm) jest jednym z głównych obszarów naszych zainteresowań, a niezwykle pomocny okazał się tutaj opracowany w naszym zespole badawczym (Zespół Katalizy i Fizykochemii Ciała Stałego na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego) program komputerowy do symulacji widm EPR, wykorzystujący m.in. algorytm genetyczny. Duży udział ma tu mgr inż. Tomasz Spałek, który wkrótce obroni pracę doktorską poświęconą tej tematyce.

WP: Dlaczego w centrum Panów zainteresowań są właśnie katalizatory?

Kataliza, chemia powierzchni i nanochemia, to powiązane ze sobą fascynujące i obecnie dynamicznie rozwijające się dziedziny nauki, zajmujące się zjawiskami zachodzącymi na granicach międzyfazowych układów heterogenicznych. Szczególnie interesujące są zaś te właściwości, które wynikają z obniżenia rozmiarów badanych materiałów do skali nanoskopowej. Reakcje katalityczne, które zachodzą na powierzchniach takich obiektów, są najważniejszymi procesami chemicznymi warunkującymi nie tylko procesy życiowe (kataliza enzymatyczna), lecz również decydują o obliczu i perspektywach rozwoju współczesnej cywilizacji (petrochemia i przeróbka gazu, produkcja nowoczesnych materiałów i farmaceutyków, procesy katalityczne w ochronie środowiska).

Doskonałą ilustracją znaczenia katalizy jest przeróbka ropy naftowej, z której głównym produktem mamy pośrednio do czynienia niemal codziennie przekręcając kluczyk samochodu. Każda kropla benzyny, która znajduje się w baku, została otrzymana i uszlachetniona poprzez zwiększenie liczby oktanowej w wyniku katalitycznego przetworzenia ropy naftowej przy użyciu zeolitów. Ponadto, wykorzystując katalizatory na bazie siarczku molibdenu dotowanego kobaltem, z ropy naftowej w procesie hydroodsiarczania usuwa się siarkę, dzięki czemu spalana benzyna nie emituje tlenków siarki do środowiska, co z kolei chroni nas przed kwaśnymi deszczami i smogiem. Jeśli do tego dodamy trójdrożny katalizator samochodowy, usuwający zanieczyszczenia ze spalin, to znaczenie katalizy i wynikające stąd nią zainteresowanie staje się oczywiste.

WP: Jak bardzo wydajne są obecnie systemy oczyszczające spaliny z toksycznych związków chemicznych? Czy w Polsce jest zainteresowanie tym tematem?

Obecnie dostępne są dobrze ugruntowane technologie redukcji tlenków azotu emitowanych ze źródeł stacjonarnych za pomocą amoniaku oraz bardziej znane trójfunkcyjne katalizatory samochodowe, gdzie rolę reduktora stanowią spaliny. Jednakże wyzwaniem wciąż jest opracowanie skutecznych katalizatorów do bezpośredniego rozkładu tlenków azotu bez użycia reduktorów. W Polsce kilka ośrodków naukowych pracuje nad rozwiązaniem tego problemu w ramach projektów badawczych krajowych i międzynarodowych. Przykładowo nasz zespół partycypuje w europejskim programie EURKA "STATIONOCAT" oraz Międzynarodowej Grupie Badawczej GDRI, których obszarem zainteresowań jest kataliza w ochronie środowiska, energia odnawialna i czyste paliwa.

WP: Jak bardzo zmieniały się systemy katalityczne w ostatnich latach na świecie? Czy Polska za nimi nadąża?

Obecnie jesteśmy świadkami niezwykle burzliwego rozwoju katalizy, zarówno w obszarze badań eksperymentalnych, jak i teoretycznych, które coraz bardziej powiązane ze sobą przynoszą synergiczne rezultaty. Możliwość zrozumienia na poziomie kwantowo-molekularnym struktury katalizatorów i mechanizmów ich działania oraz nowe strategie syntetyczne związane z rozwojem nanotechnologii otwierają nowe perspektywy dla budowy zintegrowanych układów katalitycznych o projektowanej hierarchicznej strukturze, często wzorowane na układach biologicznych. Takie układy katalityczne, korzystając z prostych substratów, będą w stanie wytwarzać z dużą wydajnością i selektywnością zaawansowane produkty o pożądanych i unikalnych właściwościach. W ten sposób wypełni się odwieczne marzenie alchemików o zamianie ołowiu (materiału mniej cennego) w złoto (materiału bardziej cennego) przy pomocy kamienia filozoficznego (katalizatora). Warto podkreślić, iż Polska ma znaczący wkład w rozwój tej dziedziny nauki.

Rozmawiał Adam Przegaliński, Wirtualna Polska