Dlatego także ważna jest ich redukcja w atmosferze. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, współpracując z naukowcami z zagranicznych instytucji, przedstawili łatwy sposób radzenia sobie z dwutlenkiem węgla, będącego głównym winowajcą globalnego ocieplenia. Przyjrzyjmy się bliżej ich odkryciu.

Aktywność antropogeniczna spowodowała gwałtowny wzrost skali emisji gazów takich jak choćby dwutlenek węgla (CO2), prowadząc do globalnego ocieplenia, zmian klimatu, poważnych problemów środowiskowych, a nawet negatywnego wpływu na zdrowie. Jednym z możliwych sposobów przeciwdziałania temu zjawisku jest wychwytywanie CO2 z atmosfery, ale obecne metody radzenia sobie z tym problemem są kosztowne i nadal mało skuteczne. Dwutlenek węgla jest dobrze znany jako gaz cieplarniany, łatwo generowany przez wysokie uprzemysłowienie, spalanie paliw kopalnych, czy wycinanie drzew. Niestety, niska reaktywność tego gazu utrudnia jego szybkie wychwytywanie i przekształcanie w inne związki chemiczne, zwłaszcza materiały, które przechowywałyby go przez długi czas. Dlatego, ze względu na swoją specyficzną strukturę, CO2 pochłania i emituje ciepło znane jako promieniowanie podczerwone, przyczyniając się do ocieplenia powierzchni Ziemi, jak i różnych poziomów atmosfery. To generuje głęboką potrzebę znalezienia nowatorskich sposobów wychwytywania dwutlenku węgla z atmosfery.

Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF, PAN), kierowani przez prof. Janusza Lewińskiego we współpracy z międzynarodowym zespołem badaczy zaprezentowali łatwy sposób wychwytywania CO2 i wykorzystywania go jako składnika do tworzenia nowoczesnych, materiałów funkcjonalnych. Co więcej, wszystko to bez generowania odpadów, które są zwykle wytwarzane podczas klasycznych „mokrych” syntez. Proponowane narzędzia opierające się na mechanochemii umożliwiają aktywację reakcji chemicznych przez pokonanie bariery energetycznej tylko i wyłącznie za pomocą siły mechanicznej. Innymi słowy, nowy materiał został otrzymany w wyniku ucierania stałych substratów w stalowym reaktorze. Pomimo prostoty reaktorów mechanochemicznych, są one potężnym narzędziem oferującym ekologiczne podejście do wytwarzania różnorodnych związków chemicznych konieczności składowania i utylizacji odpadów.

Naukowcy umieścili w reaktorze mechanochemicznym kilka odpowiednio dobranych składników badając wpływ warunków eksperymentalnych na skład otrzymywanego produktu. Zespół prof. Lewińskiego zaproponował bogatą w azot cząsteczkę organiczną  o nazwie 1-(o-tolyl)biguanid (otbg) ze względu na jej unikalny skład chemiczny, oferujący grupę funkcyjną, która może wiązać CO2. Początkowo syntezę prowadzono w mieszaninie rozpuszczalników, a mianowicie acetonitrylu i wodzie, w obecności otbg, wystawiając roztwór na działanie gazu. W kolejnym kroku, acetonitryl zastąpiono tetrahydrofuranem, co spowodowało wytworzenie zupełnie innego produktu. Odkryto, że selektywność tworzenia węglanów z CO2 w porównaniu z wodorowęglanami w metodzie opartej na roztworze jest związana z rodzajem użytego rozpuszczalnika. To ekscytujące, że mechanicznie wzmocniona synteza działa tak skutecznie w porównaniu z klasyczną metodą mokrą.

"Zainspirowani obserwacją tworzenia się rozległej sieci wiązań wodorych, zastanawialiśmy się, czy zastosowanie podejścia mechanochemicznego może wpłynąć na przebieg reakcji chemicznej i doprowadzić do powstawania różnych produktów" – twierdzi dr Michał Leszczyński, pierwszy autor badań.

Otrzymane materiały wiążą CO2 za pomocą wiązań wodorowych, które są na tyle silne, aby uwięzić gaz w produkcie końcowym. Co ciekawe, metoda ta może być również stosowana z innymi gazami pozwalając na redukcję znacznie większej ilości innych gazów w atmosferze. Metoda ta cechuje się brakiem szkodliwych odpadów syntezy przekładając się na jej aspekt ekologiczny i ekonomiczny.

Grupa prof. Janusza Lewińskiego jako pierwsza zaprezentowała, że CO2 może być wychwytywany mechanicznie i włączany w strukturę nowego, materiału funkcjonalnego. To pokazuje potencjał mechanochemii w opracowaniu nowej strategii do klasycznej mokrej syntezy w kierunku redukcji gazów emisyjnych z zachowaniem wysokiej selektywności metody

"Wykazaliśmy, że tworzenie związków węglanowych i wodorowęglanowych może być ukierunkowane przez zastosowanie rozpuszczalnika organicznego w syntezie mechanochemicznej wspomaganej cieczą. Co więcej, okazuje się że selektywność badanych procesów jest zależna od zastosowanych rozpuszczalników organicznych, ale kierunek tej zależności jest odwrotny w przypadku reakcji mechanochemicznych w porównaniu do reakcji w roztworze. Ogólnie rzecz biorąc, nasze odkrycia potwierdzają pogląd na mechanochemię nie tylko jako zrównoważoną alternatywę, ale raczej jako strategię uzupełniającą syntezę opartą na klasycznych układach rozpuszczalnikowych" – zauważa dr hab. Leszczyński

Ta praca podkreśla opłacalny, szybki i łatwy sposób tworzenia nowych materiałów porowatych jako nowy sposób na wychwytywanie CO2 i przekształcenie go w bardziej nowoczesny i funkcjonalny materiał. Ponadto otwiera drogę do przyszłych badań nad substancjami do wychwytywania CO2. Dzięki interdyscyplinarnemu i innowacyjnemu podejściu otrzymano i w pełni przebadano szereg nieznanych wcześniej produktów, co może mieć znaczny wpływ na rozwój technologii wykorzystania CO2 jako wartościowego substratu do otrzymywania materiałów funkcjonalnych.