Większość z nas węgiel kojarzy z surowcem, który wykorzystywany jest jako paliwo. Coraz częściej jednak produkujemy materiały węglowe z myślą o ich użyciu w zaawansowanych technologiach.

W Zespole Technologii Organicznej na Wydziale Chemii UJ od kilku lat prowadzone są intensywne prace badawcze zmierzające do opracowania nowego typu węgli aktywnych o kontrolowanej porowatości dedykowanych do zastosowań adsorpcyjnych i katalitycznych.

W przypadku dostępnych komercyjnie węgli mikroporowatych średnice porów wykluczają praktycznie możliwość przemieszczania się w nich większych molekuł. Głównym celem poszukiwań podjętych w Zespole Technologii Organicznej jest uzyskanie materiałów o właściwościach powierzchniowych zbliżonych do klasycznych węgli aktywnych, ale różniących się od nich większą dostępnością do wnętrza ziaren, co można zapewnić przez zwiększenie rozmiaru kanałów wewnątrzziarnowych do obszaru mezoporowatości, czyli średnic w zakresie od 2 do 50 nm (1 nm - nanometr to 10^-9 metra czyli 0,000001 mm).

Wyłapać i zlikwidować

Proces syntezy, który prowadzi do rozwiązania tego problemu oparto na zastosowaniu tzw. szablonu strukturotwórczego, czyli mezoporowatej krzemionki (SiO₂) o bardzo regularnym rozmieszczeniu kanałów. "Jeśli pory takiej matrycy wypełni się substancją stanowiącą prekursor węgla (związek, z którego, w wyniku dalszej obróbki, powstaje węgiel), to po przeprowadzonej karbonizacji (wygrzewaniu w wysokiej temperaturze w atmosferze beztlenowej) otrzymany zostanie układ hybrydowy zbudowany z węgla zlokalizowanego w kanałach materiału krzemionkowego" - relacjonuje prof. Piotr Kuśtrowski z Wydziału Chemii UJ. Końcowym etapem syntezy mezoporowatego materiału węglowego jest usunięcie części krzemionkowej przez wypłukanie kwasem fluorowodorowym, który rozpuszcza selektywnie SiO₂, nie naruszając struktury części węglowej.

"Ogromną zaletą tej metody syntezy są jej ograniczone koszty oraz wysoka efektywność i powtarzalność. Do chwili obecnej zweryfikowano jej skuteczność w odniesieniu do konstrukcji materiałów węglowych o różnej aranżacji porów (np. heksagonalnej, czy regularnej)" - informuje prof. Kuśtrowski.

----------------------------------

O badaniach nad modyfikacjami materiałów węglowych czytaj także w "Projektorze Jagiellońskim".

----------------------------------

Otrzymywane węgle mezoporowate wykazują bardzo dużą zdolność do wyłapywania cząsteczek związków organicznych z powietrza, mogą być zatem zastosowane w skali komercyjnej jako adsorbenty, których działanie nie jest praktycznie ograniczone rozmiarem wiązanych molekuł. Biorąc pod uwagę możliwą komercjalizację wynalazku Zespół pracuje dodatkowo nad formowaniem wytwarzanych replik węglowych w postać kulek o średnicach mikrometrycznych. W tym celu rozpoczęto realizację,  finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki,  projektu w ramach którego planowane jest tworzenie otoczek tlenkowych wokół kulistych ziaren węgla. Rolą tychże otoczek ma być katalizowanie procesu spalania (w uproszczeniu: przyspieszanie spalania) wychwyconych uprzednio molekuł organicznych.

Marzeniem badaczy jest stworzenie materiału hybrydowego, który łączyłby funkcję adsorpcji lotnych związków organicznych (w temperaturze pokojowej) oraz ich katalitycznego dopalania (w podwyższonej temperaturze), co stanowiłoby pionierskie podejście do rozwiązania problemu ograniczenia emisji szkodliwych  substancji organicznych zanieczyszczających środowisko.

Foto: Obraz z elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM), który oddaje kształt i wielkość otrzymywanych cząstek materiału węglowego