A fémorganikus vázszerkezetek több mint három évtizeddel ezelőtti feltalálásukkor a kémia következő nagy áttörésének tűntek. És hamarosan ezek az érdekes anyagok kereskedelmi forgalomba is kerülhetnek a szén-dioxid megkötésére és a levegőből történő vízkinyerésre szolgáló rendszerekben.

Idén májusban 150 millió dolláros beruházással szén-dioxid-megkötő szűrőket gyártó üzem nyílt a kanadai Burnabyben. A világ legmagasabb fái után Redwood névre keresztelt gyár célja, hogy évente 10 millió tonna szén-dioxidot megkötni képes szűrőket gyártson, mondják az azt működtető Svante Technologies képviselői.

Szuperszivacs

A gyár megnyitása egyben kereskedelmi áttörést jelent a több mint 30 éve feltalált, érdekes „szuperszivacsok” számára, amelyek annak idején hatalmas tudományos érdeklődést és felhajtást váltottak ki, de piaci szempontból nem váltak be, egészen mostanáig. A porózus, porhoz hasonló szilárd anyagok, az úgynevezett fémorganikus vázak (metal-organic frameworks, MOF) évtizedek óta lenyűgözik a vegyészeket. A MOF-ok hatalmas belső üregekkel rendelkeznek, így a világ legporózusabb szilárd anyagai. Egy gramm MOF-por belső felülete akkora lehet, mint egy focipálya.

Az elmúlt három évtizedben a kutatók több mint százezer fajta MOF-ot hoztak létre laboratóriumi körülmények között, és tesztelték ezek felhasználását gázok tárolására, katalizátorként, a vízből való mérgező vegyi anyagok kivonására és gyógyszerek célba juttatására, valamint számos egyéb lehetséges felhasználási területen is. A szakértők közben létrehoztak egy másik hasonló anyagtípust is, a kovalensorganikus vázszerkezeteket (covalent organic frameworks, COF). Az élénk akadémiai érdeklődés ellenére azonban a nem sikerült ipari méretekben megoldani ezek gyártását.

Ezért egyfajta MOF-ot jelenleg már tonnás léptékben gyártanak Svante gyárában. Bár még nem világos, hogy ezek a porok valóban jobb teljesítményt nyújtanak-e a versenytárs termékeknél – a Svante gyára más típusú anyagokat is gyárt a CO2 megkötésére –, úgy tűnik, hogy most tényleg megnyílik a piac, mondja Shababa Selim, a Cambridge-ben működő IDTechEX kutatói tanácsadó cég elemzője.

Ígéretes, de drága

A MOF-ok története 1989-ben kezdődött, amikor Richard Robson, a Melbourne-i Egyetem kémikusa és kollégája, Bernard Hoskins bejelentették, hogy egy új, potenciálisan széles körben alkalmazható, példátlan és valószínűleg hasznos tulajdonságokkal rendelkező szilárd polimer anyagot találtak fel. Robson rézionokat kevert az általa előállított szerves kapcsoló molekulákkal, majd az oldószerek gondos kiválasztásával és lassú elpárologtatásával elérte, hogy ezek az építőelemek porózus vázszerkezetbe kristályosodjanak.

Az 1990-es évek közepén Omar Yaghi, a Berkeley vegyésze ötlötte ki a MOF elnevezést. Az első szerkezetek nem voltak stabilak, vagy csak nagyon alacsony hőmérsékleten működtek, de Yaghi olyan módszereket fejlesztett ki, amelyekkel a MOF-ok robusztusabbá tehetők, erős kötésekkel összekapcsolt molekuláris építőelemekből építve őket. Az akadémiai laboratóriumok azonnal felkapták az ötletet, ma már több mint százezer különböző MOF-változatot tart nyilván a Cambridge Crystallographic Data Centre. (A Nature elemzése szerint több mint százezer tanulmány jelent meg az anyagokról.)

Egyes porózus természetes anyagokkal, például az agyagokkal ellentétben, ezeknek a mesterséges szuperszivacsoknak a belső pórusai pontosan és egyenletesen méretezhetők, a vázszerkezetet alkotó molekuláknak megfelelően. Yaghi és más kutatók azt is kidolgozták, hogyan lehet dinamikussá tenni a MOF-okat, hogy a nyomás és a hőmérséklet változásával gázok és más anyagok juthassanak be a pórusokba vagy onnan ki.

A vegyészek versengtek a legnagyobb belső felületű anyag előállításáért is:

Ennyi hely hatalmas alkalmazási lehetőségeket ígért, ezek többsége azonban sokáig csak ígéret maradt. Annak idején MOF-alapú közlekedési forradalomról és hidrogénalapú gazdaságról is beszéltek, de a technológia végül túl drágának bizonyult ilyen felhasználásra.

A nagy találkozás

A szén-dioxid-megkötéssel viszont úgy tűnik, hogy végre sínre került a megoldás piaci betörése. „Az új anyagok esetében néha csak ki kell várni, hogy megjelenjen az a piaci lehetőség, amely ösztönzi a beruházásokat, és lehetővé teszi a termelési kapacitás növelését és az árak csökkentését” – mondja Selim. A Svante története jól illusztrálja ezt. Claude Letourneau, a cég vezérigazgatója elmondja, hogy a vállalat mindig is az ipari üzemek kipufogógázából történő CO2-eltávolításra koncentrált, de nem volt elkötelezett egy adott módszer mellett.

A Svante egy módosított szilícium-dioxid anyagot próbált kifejleszteni a CO2 megkötésére, de az túl gyorsan lebomlott ahhoz, hogy praktikus legyen. Letourneau felvette a kapcsolatot George Shimizu Calgary Egyetemen működő kutatócsoportjával, és ők ismertették meg a CALF-20 nevű MOF-fal, amelyet kifejlesztettek. Ez a cinkalapú anyag a pórusaiban megköti a CO2 molekulákat, még víz jelenlétében is, amely a füstgázok fő alkotóeleme.

Letourneau rögtön látta, hogy pont erre van szükségük, a gyártás azonban eleinte túl drágának tűnt. Ezért megbízta Shimizut, hogy próbáljon meg egy egyszerűbb, nagy mennyiségben is működő megoldást kidolgozni. És egy évvel későbbre meg is volt a megoldás:

A Svante kutatói ezt a módszert fejlesztették tovább, először kilogrammos, majd tonnás mennyiségeket állítva elő az anyagból. Selim elmondása szerint közben számos más cég is átállt, hogy a szén-dioxid-megkötésre szolgáló MOF-okra összpontosítson. A Promethean Particles, egy 2007-ben a brit Nottinghami Egyetemből kivált vállalat, amely nanorészecskék fejlesztésével foglalkozik, például a szén-dioxid-megkötés és -tárolás céljára szolgáló MOF-ok fejlesztésére specializálódott.

Korlátlan lehetőségek

A belfasti Nuada, amely korábban MOF Technologies néven működött, szintén szén-dioxid-megkötésre és -tárolásra szolgáló MOF-alapú terméket fejleszt. A Nuada egy hulladékégető telephelyen kísérleti szén-dioxid-megkötést végez Knottingleyben. Selim szerint azonban a nyilvános információk alapján a BASF–Svante-eljárás az egyetlen, amellyel a MOF-okat kereskedelmi méretekben lehet előállítani.

A MOF-ok nem feltétlenül alkalmasak mindenféle szén-dioxid-megkötésre. A CO2 közvetlenül a levegőből történő kivonása nehezebb, mint az ipari üzemek kipufogógázából, mivel a CO2 koncentrációja alacsonyabb. Svante ugyan szén-dioxid-megkötő anyagokat szállít a svájci Zürichben működő Climeworks nevű közvetlen levegőmegkötő cégnek, de ezek nem MOF-okon alapulnak, hanem a szén-dioxid-megkötésre általánosan használt, porózus amin nevű vegyi anyagokon, mondja Letourneau.

Elmondása szerint csapata jelenleg is azon dolgozik, hogy egyszerűsítsék az anyag szintézisét. De zajlanak fejlesztések levegőből való vízgyűjtésre, mérgező gázok szűrésére és tárolására, és a korábbi vakvágányok ellenére többen úgy vélik, hogy az ilyen módon való hidrogéntárolásban is van potenciál. Vagyis minden jel arra utal, hogy a MOF-ok ezúttal tényleg eljuthatnak a gyakorlati felhasználásig.