Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Design of Green Catalysts for the Conversion of Renewable Resources into Polymers

Alternativ tittel: Design av Grønne Katalysatorer for Konvertering av Fornybare Ressurser til Polymerer

Tildelt: kr 8,0 mill.

Mens de fossile karbonressursene minker har konsentrasjonen av karbondioksid økt kontinuerlig siden den industrielle revolusjonen. Karbondioksid fremstår dermed som en av de rikeste karbonkildene for fremtiden. Imidlertid er CO2 relativt inert (ureaktivt), og kun ca. 0,5% blir for øyeblikket utnyttet i storskala kjemisk produksjon. I prinsippet kunne imidlertid karbondioksid utgjøre et ikke-giftig, fornybart og rimelig startmaterial til bruk, for eksempel, som byggestein i produksjon av grønne polymerer i stor skala. En polymer for en polymer? GreenCAT-prosjektets mål var å utvikle grønne katalysatorer som konverterer CO2 og biofornybare ressurser til verdifulle polymerer på en bærekraftig og konkurransedyktig måte, i motsetning til dagens prosesser som involverer giftige og dyre katalysatorer. Prosjektet dreiet seg om et samspill mellom teori og eksperiment for å designe ikke-giftige og kostnadseffektive katalysatorer som gir polymerer med opptil 30-50vekt% CO2. Som sådan kan prosjektet bidra til en komplementær og alternativ teknologi for utnyttelse av CO2 som kunne erstatte noen av de olje- og naturgass-baserte polymerene vi omgir oss med i hverdagen. Blant alle polymeriseringsprosesser som involverer CO2, er metall-katalysert kopolymerisering av epoksider med CO2 trolig den mest energetisk effektive og økonomiske metode for å oppnå høy inkorporering av CO2. Dessverre er en betydelig mengde av dagens metallbaserte katalysatorer for kopolymerisering giftige og/eller basert på svært sjeldne metaller, noe som begrenser deres mulige bruk i bærekraftig, industriell polymersyntese. I tråd med bærekraftig utvikling av katalysatorer, fokuserte prosjektet på ikke-giftige (uten kjent biologisk rolle) og transisjonsmetaller som er lett tilgjengelig i store mengder, slik som titan. Omtrent ca. 6-7% av den totale produksjonen av titan mineraler i verden ligger i Norge, noe som gjør dette metallet til ett av de mest attraktive transisjonsmetallene til bruk i bærekraftig kopolymerisasjonskatalyse. Nylig etablerte prosjektet metoder for fremstilling av klasse funksjonaliserte multidentate N-heterosyklisk karben ligander som var i stand til å pakke inn titanatomer, og disse forbindelser viste seg å ha gode katalytiske egenskaper ved kopolymerisasjonen av CO2 og epoksider. Vi har presentert og publisert våre studier av denne nye klassen titankatalysatorer i vitenskapelige artikler og på internasjonale konferanser. Videre har vi utvikler flere andre N-heterosyklisk karben-komplekser basert på titan, og vi har demonstrert hvor effektive disse katalytiske systemene er for kopolymerisasjon av sykloheksenoksid med CO2, hvor de selektivt produsere en fullstendig alternerende poly(sykloheksen-alt-karbonat) ved lavt CO2 trykk (<1 bar). Studien ble støttet av et synergisk forhold mellom eksperimentell og teoretisk kjemi, og data fra de teoretiske studiene hjalp oss å rasjonalisere de eksperimentelle forsøkene. I lys av resultatene fra titankatalysatorene ble det gjennomført nye undersøkelser av andre ikke-giftige metaller fra gruppe 4 og eldelmetallene, som hittil er uutforsket av andre internasjonale forskergrupper. Noen av de nye forbindelsene, særlig de fra gruppe 4, viste overlegen katalytiske aktivitet, opptil to størrelsesordener høyere, samtidig som de opprettholder høy selektivitet mot dannelsen av polykarbonat i forhold til vår tidligere referanseindeks (titankatalysatorer) og / eller rivaliserende med de andre katalysatorene basert på giftig transisjonsmetaller. I tillegg ble flere sentrale mellomprodukter som var relevante for polymerisasjon, isolert og karakterisert fra denne nye serie av katalysatorer fra gruppe 4, som har vært viktig for å identifisere noen av de viktigste reaksjonsfaktorene. Spesielt viste ny innsikt basert på ulike eksperimenter at de katalytiske mellomproduktene har høy termisk stabilitet, at de multidentat-funksjonaliserte ligandene har en determinant rolle for aktiviteten / selektiviteten, og at minst en av de hastighetsbegrensende trinnene er innsetting av CO2 i metall- alkoksydbindinger. Foreløpige resultater fra våre beste gruppe 4-baserte katalysator-systemer med andre (bio)epoksider viser at noen av disse katalytiske systemene er svært selektive ved koblingen av CO2/epoksider, med moderat til høy aktivitet i enten de tilsvarende sykliske karbonater eller polykarbonater avhengig av det anvendte epoksid. Selv om den nye katalysatorteknologien som ble utviklet i dette prosjektet fortsatt er på et tidlig utviklingsstadium og kan forbedres ytterligere, har prosjektet åpnet nye veier for utviklingen av mer robuste og effektive grønne katalysatorer for fremstilling av CO2-baserte polymerer.

The GreenCAT project has contributed to the field of developing greener catalysts for making selectively polycarbonates. Thus, this novel class of catalysts obtained within the project has opened new avenues for the copolymerization of epoxides with CO2 such as: the use of nontoxic transition metals that are more environmentally benign than the current employed toxic metals, and determined which kind of catalysts pattern is the most suitable for this reaction. These research results attracted several collaborators across Norway, North America and France, and several collaborations have been initiated to extend the potential of this catalyst technology. Even though currently our novel catalyst technology display high performances in term of activity and selectivity toward the formation of polycarbonates in the range of other industrialized catalysts, additional improvements are needed for raising up their industrial viability for manufacturing CO2-based polymers.

The overall aim of GreenCAT project is to provide greener catalysts for the use of CO2 as raw material with (biorenewable) epoxides for manufacturing eco-friendly polycarbonates. Whereas research on copolymerization of CO2 with epoxides is currently focused on the use of expensive, rare and toxic catalysts, our approach will focus on the development of catalysts which are alternatively more favorable ecologically and economically than the current one. We recently found out and applied for the first time a new family of binary-component catalysts supported by an unprecedented combo ligand pattern for the copolymerization with CO2/epoxides with promising activity and selectivity. Based on this discovery, we further want to broaden our research using unexplored analogous chiral combo ligand?s pattern with more attractive metals with the purpose of developing a more economically viable catalysts. In the first phase of GreenCAT project, our main efforts will converge toward the synthesis of active binary-component catalysts supported by the new combo ligand's class for the CO2 and epoxides copolymerization with selected metals, i.e. less-toxic, abundant and inexpensive. The elucidation of the effective mechanism(s) with the binary-component catalysts will be also investigated by a combination of computational work and experimental kinetic studies. In the second phase of the project, we want to build up (assisted by innovative computer methods) novel single-component catalytic systems with the aims to improve robustness and recyclability of the active catalysts, essential criteria a sustainable exploitation. If successful, we plan to widen the scope of reaction to biorenewable epoxides and to study the properties of these new high-tech green copolymers. In addition the GreenCAT project has the positive aspect to offer a complementary and alternative technology for the utilization CO2.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek