2019. november: jegyzet, biofizika, fizika, biokémia, portré, egyetem, disszemináció, tudomány, genomika, orvostudomány, anyagtudomány, ipar 4.0, it, biológia, energiagazdálkodás, atomenergia, innováció, hulladékgazdálkodás, ipari automatizálás, közlekedés, környezetvédelem, szakképzés, kiállítás/konferencia, okostechnológia, megújuló energia, zöldkörnyezet, fenntarthatóság, egészségipar, mesterséges intelligencia

Anyagtudományi kiválósági műhely

Az MTA Természet­tudo­mányi Kutató­köz­pont Anyag- és Környezet­kémiai Intézet, a BME Vegyész­mérnöki és Bio­mérnöki Kar, valamint az ELTE TTK Kémiai Intézet kon­zorciuma 2017 nyarán kutatási támoga­tást nyert a VEKOP-2.3.2-16-2017 pályázat keretében. A konzor­cium célja egy olyan tudás­központ kiépítése, amelyben a részt vevő kutató­csopor­tok magas szintű anyag­tudo­mányi alap­kutatáso­kat végez­hetnek. A konzorcium­vezető az Anyag- és Környezet­kémiai Intézet.


A projektben folyó kutatások célja kettős. Olyan új anyagokat kívánnak elő­állítani és jellemezni, amelyek alapul szolgálhatnak új eljárások és eszközök kifejlesz­téséhez egyrészt biomassza-­eredetű anyagok új­szerű hasznosítása, másrészt energia­tárolás és -felszaba­dítás céljára. A kutatásokban egy-egy, potenciálisan ipari alkalmazásra érdemesnek ítélt anyag­csoport vagy folyamat több oldalát vizsgálják egyidejűleg, kihasználva az egyes kutató­csoportok kompetenciáinak szinergizmusát.

A biomassza-hasznosítás területén a vizsgálatok egyik fő területe a növényi váz­anyag, a ligno­cellulóz új felhasználási lehetőségeinek felderítése. Ez a biomassza-­alkotó a ter­mesz­tett növények feldolgozása során nagy mennyiségben képződik, általában hul­ladék­ként. Hatékony vegyipari és energia­ipari hasznosítá­sához új kémiai, bio- és kemo­kataliti­kus eljárásokra, előnyösen azok kombinációjára van szükség.
A lignocellulóz közvetlen felhaszná­lását hátráltatja, hogy ener­gia­sűrűsége kicsi, inhomogén, nagy a víz- és oxigén­tartalma, to­vábbá érzékeny a biodegra­dációra. A hátrányos tulajdon­ságok alacsony hőmérsék­letű (200–300 °C közötti) pirolí­zissel (tor­re­faction) javíthatók. A projekt keretében korszerű eszközökkel pirolízis-­vizs­gálato­kat végeztek, és meg­határoztak egy sor, a ligno­cellulóz ipari felhasználása szem­pontjából fontos paramétert.

Biomassza hőkezelési kísérletek termékei és melléktermékei

A biomassza teljes körű feldolgozása a bio­finomítás, amely során a nyers bio­masszát érték­növelt termékekké alakítják a bio­tech­nológia fejlett módszereivel. A pro­jekt­ben savas frakcioná­láson, enzim­ka­ta­lízisen és fermen­tációs lépéseken alapuló bio­finomító eljárást dolgoztak ki xilit és arabinóz elő­állítására hemi­cellulózból. Laboratóriumi kísérletekben meghatároz­ták a folyamat para­mé­tereit, és azok is­me­re­tében a technológiát számítógépes mo­delle­zés segítségével optimálták.
Cukrokból és cukor­polimerekből fer­men­tá­ciós eljárással rövid szénláncú oxi­­ge­­ná­tokat: etanolt, illetve aceton-­bu­ta­nol-­etanol elegyet állítanak elő nagyipari lép­­tékben. A butanol kiváló benzin­adalék. Az etanol alkalmas keverő komponense ugyan a benzinnek, de energia­sűrűsége ki­­csi, és meglehetősen higroszkópos, emiatt célszerű lehet az üzem­anyag számára előnyösebb butanollá alakítani. A projekt keretében heterogén katalitikus eljárást fejlesztenek a fermentá­cióval előállított rö­vid szénláncú oxigenátok átalakítására hosszabb szénláncú alkoholokká és ke­tonokká, il­letve dízel üzemanyag he­lyettesítésére is alkalmas alkánokká. A re­akciók­hoz erősen bázikus és gyengén sa­vas karakterű MgO-Al2O3 vegyesoxid-­ka­talizátort készítettek, amelynek hid­ro­gé­nező-­dehidrogénező, al­dol­­addí­ciós és de­hid­ratáló aktivitásának hangolásával el­­érték, hogy segítségével nagy szelektivi­tással és jó hozammal alakít­ható az etanol butanollá, illetve kapcsolha­tók össze az alkoholok egymással és acetonnal hosszú szénláncú alkoholokká és ke­to­nokká.

Oxigenátok konverziójához előállított MgO-Al2O3 vegyesoxid-katalizátorok sav-bázis tulajdonságainak jellemzésére használatos termoanalitikai berendezés

Annak megtervezésére, hogy a butanolt belső égésű motorokban hogyan lehet op­timálisan használni, elengedhetetlen a szá­mító­gépes szimuláció. A projekt egyik célja, hogy kidolgoz­zák a butanol égésének eddigi legmeg­bízhatóbb reakciókinetikai mo­delljét. Ehhez össze­gyűj­tötték az összes, az irodalomban elérhető kísérleti adatot és reakció­modellt. Kiérté­kelték a model­lek teljesí­tő­képességét, majd kiválasztották a tovább­fejlesztésre leg­alkalma­sab­bat. A mo­dell egyes reakció­lépései­nek pontosabb leírásához a kinetikai para­métereket kvan­tum­kémiai módszerek alkalmazásával számították ki.

A projekt másik fő iránya az energia tárolására és szabályozott felszabadítására alkalmas módszerek fejlesztése. Ebbe a körbe tartozik a polimer-­elektrolit membrán tüzelőanyag-­cellák (PEMFC-k) fejlesztése. Molibdén­nel adalékolt rutil TiO2-t (titán-­dioxidot) és aktív szenet tartalmazó kompozit hordozóból kialakított katalizátoruk verseny­képes a kereskede­lemben kapható legjobb katalizáto­rokkal, noha azoknál kevesebb Pt-t (platinát) tartalmaz. Előnyös tulajdonsága, hogy aktivitását olyan magas CO-koncentrációk mellett is megőrzi, me­lyeknél az ismert kata­lizá­torok már nem aktívak, és stabilitása is lényegesen nagyobb. Azonosí­tották a katalizátor kedvező tulajdonságait megala­pozó kölcsön­hatásokat, összetétel­beli és szerkezeti pa­ra­métereket. A fejlesztés részeként eljárást dolgoztak ki nitrogénnel adalékolt szén aerogélek előállítására, melyeknek nagy az elektron­vezető képességük, és katalizálják a PEMFC katódján lejátszódó oxigén­re­dukciós lépést. A katalizá­torok működési me­cha­niz­musá­nak megértése céljából kvan­tum­kémiai módszerekkel azonosították a sebesség­meg­hatá­rozó lépéseket TiO2 és gra­fén­felülete­ken. A számítások szerint az oxigén­redukció várhatóan mindkét felüle­ten a kevésbé hatékony két­elektronos úton játszódik le, de TiO2 hiba­hely környezetében, illetve grafén­éleken a reakció történhet a kedvezőbb négy­elektronos úton is. E várakozás összhangban van a hasonló éleket tartalmazó aerogélek viselkedésével, amelyeken a kísérletek szerint az oxigén­redukció a négy­elektronos úton játszódik le.
Új proton­vezető elektrolitok kifejlesz­tése céljából kationos po­limerizá­cióval savas szubsztituten­seket tartalmazó β-pinén alapú polimert állítottak elő. Megállapították, hogy a polimer párás környezetben víz­felvétellel duzzad. Ezen tulajdonsága, valamint polisav természete révén a poli­mer jó proton­vezető képességet mutat. Jó vezető­képességű és vízzel duzzaszt­ható polimert állítottak elő az önmagában nehezen polimerizál­ható vinil-­foszfon­savból is úgy, hogy térhálós szerkezetű makro­molekulába építették be.

Polimer-elektrolit membrán tüzelőanyag-cella (balra) és tüzelőanyagcella-vizsgáló berendezés (jobbra)

Az energiatárolásra alkalmas eszközök közül az átáramolta­tá­sos elektro­kémiai reaktorok és a szuper­kondenzáto­rok fejlesztéséhez járultak hozzá. Számos új ki­non­­származé­kot szintetizáltak, melyek redoxi folyamatok­ban tudnak részt venni. Elektro­kémiai vizs­gála­tok alapján kiválasztják azokat, amelyek fel­használhatók átáramoltatásos reaktorok ak­tív elemeként. Szuper­konden­zá­to­rok­hoz kom­pozit rendszereket és vezető polimere­ket állítanak elő, és tesztelik azok alkalmasságát.

A kutatások eredményeiről eddig 69 cikket közöltek, ezek közül 38-at Q1 minő­sítésű folyóiratban, valamint 5 PhD-dolgozat is elkészült.
A konzorcium tagjai a projekt hátra­levő két évében folytatják a megkezdett alap­kutatásokat, és felkészülnek az eredmények hasznosítására.•

 
2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

Hírlevél feliratkozás

Innotéka