Wydział Chemiczny RCH

Temat projektu:

Kataliza homogeniczna i heterogeniczna – synergiczne podejście do zrównoważonej syntezy chemicznej.

Przyjęte założenia

Projekt oparto na założeniu porównawczej analizy homogenicznych i heterogenicznych układów katalitycznych stosowanych w procesach utleniania węglowodorów alkilo- i heteroaromatycznych z wykorzystaniem tlenu cząsteczkowego jako utleniacza. Badania ukierunkowano na otrzymywanie związków o wysokiej wartości dodanej przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu procesu na środowisko. Kluczowym elementem było powiązanie struktury katalizatora, środowiska reakcyjnego oraz parametrów procesu z jego efektywnością i selektywnością. Projekt zakładał również silny komponent dydaktyczny, obejmujący aktywny udział studentów w całym cyklu badawczym.

Osiągnięte cele

Zrealizowano cel naukowy polegający na kompleksowym porównaniu czterech typów układów katalitycznych pod kątem aktywności, selektywności i stabilności w reakcjach utleniania. Wykazano istotny wpływ rodzaju katalizatora oraz sposobu jego immobilizacji na przebieg procesu i możliwość jego ponownego wykorzystania. Osiągnięto także cele dydaktyczne, rozwijając u studentów kompetencje w zakresie projektowania badań, analizy wyników i pracy zespołowej. Projekt stworzył podstawy do dalszych badań aplikacyjnych, publikacji oraz zgłoszeń patentowych.

Zastosowane metody realizacji

Realizacja projektu obejmowała opracowanie i badania porównawcze kilku klas układów katalitycznych stosowanych w reakcjach utleniania z wykorzystaniem tlenu cząsteczkowego. W części homogenicznej testowano m.in. klasyczne układy bromkowe na bazie octanów kobaltu i manganu oraz metaloorganiczne ciecze jonowe, takie jak [bmim][CoBr₃], stosowane w utlenianiu 3-pikoliny. Równolegle przygotowano katalizatory heterogeniczne, obejmujące nanorurki węglowe modyfikowane solami metali (Cu, Co, Mn) oraz układy z immobilizowanymi cieczami jonowymi i rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi na krzemionce. Procesy prowadzono w skali laboratoryjnej w reaktorach ciśnieniowych i układach gazometrycznych, a skład produktów analizowano z użyciem chromatografii gazowej i metod spektroskopowych. Dodatkowo oceniano stabilność katalizatorów poprzez testy wielokrotnego użycia.

Osiągnięte wyniki

Wykazano wysoką aktywność i selektywność wybranych układów katalitycznych w reakcjach utleniania p-ksylenu, 3-pikoliny, etylobenzenu oraz cykloheksanu. Czwartorzędowe bromki melaminy skutecznie pełniły rolę promotorów bromkowych w syntezie kwasu tereftalowego, umożliwiając uzyskanie wysokich wydajności produktu. Metaloorganiczne ciecze jonowe zawierające kobalt i brom pozwoliły na selektywne otrzymywanie kwasu nikotynowego przy ograniczonym udziale produktów pośrednich. W przypadku katalizatorów heterogenicznych najwyższą efektywność wykazały nanorurki węglowe modyfikowane miedzią, szczególnie po połączeniu z rozpuszczalnikami głęboko eutektycznymi, co przełożyło się na wzrost konwersji i selektywności do acetofenonu. Uzyskane wyniki potwierdziły możliwość prowadzenia procesów w łagodniejszych warunkach oraz potencjał badanych układów do dalszego rozwoju technologicznego.

Inne informacje o projekcie

Projekt był realizowany w interdyscyplinarnym zespole obejmującym studentów różnych kierunków oraz uczniów szkoły średniej, przy wsparciu opiekunów naukowych i konsultanta zagranicznego. Efektem prac są zgłoszenie patentowe oraz liczne prezentacje konferencyjne. Projekt spełnił wszystkie zaplanowane kamienie milowe.

Członkowie zespołu projektowego:

Krzysztof Milczarek, Nikola Hyjek, Wojciech Wojaczek, Karina Kwoka, Marcelina Gryc, Daniel Szymański, Lena Kowal

Opiekunowie projektu

prof. dr hab. inż. Beata Orlińska, dr inż. Dawid Lisicki, mgr inż. Julia Kolińska, Annick Hayen