Zlúčeniny typu metal-organic frameworks skrátene MOFs patria do triedy hybridných pórovitých materiálov obsahujúcich anorganickú a organickú zložku, ktoré sú navzájom spojené prostredníctvom väzby do trojrozmerných polymérnych sietí. Spoločnou charakteristikou týchto materiálov je prítomnosť pórov rôznych tvarov a veľkostí, ktoré je možné ľubovoľne meniť v závislosti od použitých stavebných zložiek. Prípravu MOF materiálov si možno predstaviť ako „nano-lego“, pri ktorom ľubovoľným spôsobom spájania jednotlivých stavebných častí možno pripraviť veľké množstvo výsledných modelov s rôznorodou architektúrou a dizajnom. Práve vďaka prítomnosti pórov nachádzajú MOF zlúčeniny svoje uplatnenie v oblastiach ako adsorpcia a delenie plynov, katalýza, nosiče liečiv, iónomeniče, senzory, magnetické chladiče a mnohé ďalšie, ktorým sa venujeme aj na Katedre anorganickej chémie PF UPJŠ v Košiciach.
Hlavnou oblasťou využitia MOF materiálov však vždy bola a je, adsorpcia plynov. V súčasnosti je výskum týchto zaujímavých pórovitých materiálov orientovaný aj na adsorpciu plynov spôsobujúcich globálne otepľovanie, tzv. „skleníkových plynov“. Medzi skleníkové plyny patrí predovšetkým oxid uhličitý, metán, oxidy dusíka, freóny a vodná para. Zvyšujúca sa koncentrácia týchto plynov v atmosfére spôsobuje postupné zvyšovanie teploty na planéte, s ktorou sú spojené viaceré nepriaznivé klimatické zmeny a následné transformácie geografických prvkov. Oxid uhličitý je hlavným produktom spaľovania fosílnych palív, výroby elektrickej energie a ďalších antropogénnych činností. Metán je 80-krát silnejším skleníkovým plynom, ako CO2 a jeho emisie spôsobené človekom rýchlo rastú. Zdrojom metánu je predovšetkým poľnohospodárstvo, najmä živočíšna výroba, fosílne palivá a odpad z domácností. Z uvedených dôvodov je výskum pórovitých materiálov zameraný na selektívnu adsorpciu skleníkových plynov a touto cestou nachádzajú pórovité koordinačné polyméry svoje využitie a uplatnenie aj v environmentálnej oblasti.
V jednom z predchádzajúcich príspevkov, koncom roku 2020, bola predstavená skratka UPJŠ, nielen ako skratka našej univerzity, ale aj ako skratka MOF materiálov, ktoré boli pripravené na Katedre anorganickej chémie. Tentokrát Vám chceme predstaviť dva nové pórovité koordinačné polyméry, ktoré pribudli do rodiny UPJŠ materiálov. V júni 2021 doc. RNDr. Miroslav Almáši, PhD. a kolektív publikovali výsledky svojej práce v prestížnom britskom časopise RSC Advances. V štúdii sú opísané a charakterizované dve nové amorfné MOF zlúčeniny obsahujúce zinočnaté (UPJS-13) a kademnaté (UPJS-14) katióny. V publikácii je taktiež opísaná náročná organická syntéza tetrakarboxylovej tetraédrickej kyseliny (H4MTA) a jej následné použitie pri syntéze samotných zlúčenín UPJS-13 a UPJS-14. Výsledné pórovité materiály boli testované ako adsorbenty skleníkových plynov, metánu a oxidu uhličitého pri vysokých tlakoch. Zlúčeniny vykazovali vysoké skladovacie kapacity voči obom skleníkovým plynom: 30,0 hm.% CO2 a 4,8 hm.% CH4 pre UPJS-13 a 24,6 hm.% CO2 a 6,4 hm.% CH4 pre UPJS-14 pri teplote 30°C a tlaku 20 bar. Dosiahnuté hodnoty adsorbovaných množstiev plynov možno považovať za veľmi vysoké a prevyšujú iné MOF materiály pripravené na zahraničných pracoviskách.
Aj prostredníctvom uvedeného výskumu sa snažíme prispieť k znižovaniu emisií oxidu uhličitého a metánu v atmosfére a taktiež prispieť k dosiahnutiu cieľa EÚ k 55% zníženiu emisií do roku 2030.
Pohľad na stavebné zložky, kyselina H4MTA a zinočnaté/kademnaté katióny, ktoré boli použité na prípravu výsledných materiálov UPJS-13 a UPJS-14. Adsorpčné izotermy získané z vysokotlakových adsorpčných meraní skleníkových plynov, oxidu uhličitého a metánu.
doc. RNDr. Miroslav Almáši, PhD.
Katedra anorganickej chémie
Ústav chemických vied
Prírodovedecká fakulta UPJŠ v Košiciach
Súvisiace odkazy:
M. Almáši, N. Király, V. Zeleňák, M. Vilková, S. Bourrelly, Zinc(II) and cadmium(II) amorphous metal-organic frameworks (aMOFs): study of activation process and high-pressure adsorption of greenhouse gases, RSC Adv., 11 (2021) 20137-20150, https://doi.org/10.1039/D1RA02938J
