Vodja projekta: izr. prof. dr. Blaž Likozar

PhooCatNitro bo razvil edinstven metodološki pristop za integrirano modeliranje kemijskih reakcij na več ravneh, ki bo izrecno obravnaval tudi prej prezrte inženirske aspekte. Pri tem bomo identificirali in sintetizirali optimalne katalizatorje za prvi korak valorizacije biomase (redukcija dušika za aminacijo) ter vzpostavili in optimizirali proces “one-pot” aminiranja biomase (power-to-gas). Tako bo PhooCatNitro razvil vsestranski in splošen nabor orodij, ki jih je mogoče uporabiti za reševanje enega največjih problemov na področju trajnosti.

Novo pridobljeno znanje bo prineslo novo vsestransko in univerzalno orodje za modeliranje in načrtovanje reakcij. Zagotovila bo novo razumevanje reakcijskih mehanizmov in poti, omogočila inteligentno a priori oblikovanje katalizatorja (quality-by-design) in olajšala fino nastavitev reakcijskih pogojev. Poseben poudarek bo na oblikovanju reaktorjev z inteligentno on-line analizo in karakterizacijo izdelkov. Nova metodologija modeliranja bo premostila vrzel med izračuni iz prvih principov, kinetičnimi simulacijami z upoštevanjem transportnimi pojavi, učinkovitostjo katalizatorja in zmogljivostjo reaktorja. Tako bo PhooCatNitro presegel klasično inženirsko orodje, znano iz rafiniranja nafte, in ga implementiralo v valorizacijo biomase.

Biomasa je, razen CO2, edina trajnostna surovina, ki temelji na ogljiku, in je premalo izkoriščena. Medtem ko se uporaba obnovljive energije povečuje, to še ne velja za različne materiale / izdelke na osnovi ogljika, čeprav predstavljajo temelje našega vsakdanjega življenja (npr. plastika, smole, elastomeri). Podatki kažejo le na rahlo povečanje deleža kemične industrije na osnovi biokomponent v EU28 s 6% v letu 2008 na 7% v letu 2015.

Biomasa ima težave pri konkuriranju z različnimi fosilnimi viri (npr. nafta) pri proizvodnji vseprisotnih petrokemičnih analogov zaradi raznolikosti v svoji strukturi in sestavi (aromatski monomeri, pridobljeni iz lignina, imajo različne funkcionalne skupine z do 4 obročnimi ogljikovimi atomi, ki uvajajo hidroksil, metoksil, alkil, alkenil in drugi.). Razlog za to je, da: (i) nekatere najbolj razširjene bioplastike (npr. polimlečna kislina - PLA) niso „drop-in“, kar pomeni, da se bodo njihove uporabne lastnosti razlikovale, (ii) trgi so nerazviti, (iii) potrošniki se jih pogosto ne zavedajo. Nasprotno pa bi bila zmožnost proizvajanja „drop-in“ bioloških monomerov izkoristiti že obstoječo celotno vrednostno verigo, od formulacije (tj. polimerizacije) do trga. Funkcionalni aromatski monomeri, kot so tereftalna kislina, p-fenilendiamin itd., Se globalno proizvajajo v ogromnih pretočnih zmogljivostih, da bi se odzvali na zahteve po poliestrih, poliamidih itd., zahteve pa se še povečujejo.

V projektu PhooCatNitro predlagamo edinstven, večnamenski in večdisciplinarni inženirski pristop. Rezultat tega bo nova vsestranska univerzalna celovita zbirka orodij, ki jo bomo uporabili na težkem problemu: aktivacijo NH3 za katalitično valorizacijo biomase.

PhooCatNitro bo podrobno preučil prve korake aktivacije NH3: fotokatalizirano redukcijo dušika. Fotokatalitske reakcije ponujajo bolj zelen način uporabe naravnih virov. Če je na voljo obilna električna energija, se proizvaja vodik. S pomočjo fotokatalizatorjev lahko ta vodik reagira z dušikom v amoniak, ki se bo uporabljal za aminacijo biomase. To daje derivate fenilen-diamina, ki so zelo pomembne kemikalije. V projektu bomo podrobno preučili aktivacijo dušika, ki je ključnega pomena za ta proces.

Sodelujoča organizacija:

Kemijski inštitut

Osnovni podatki glede financiranja

Projekt financira ARRS v obsegu 1851 ur cenovne kategorija C za obdobje 3 let. Trajanje projekta: 1. 1. 2020 – 31. 12. 2022

Sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS:

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini sodelujejo:

Faza 1: Računski presejalni testi katalizatorjev

Faza 2: Določitev mehanizma reakcije, kinetike in termodinamike

Faza 3: Modeliranje reakcije na srednji ravni pri realističnih delovnih pogojih

Faza 4: Opis na reaktorskem nivoju in integracija vseh nivojev

Faza 5: Validacija z eksperimentalnimi podatki

KOVAČIČ, Žan, LIKOZAR, Blaž, HUŠ, Matej. Photocatalytic CO2 reduction : a review of ab initio mechanism, kinetics, and multiscale modeling simulations. ACS catalysis. 2020, vol. 10, iss. 24, str. 14984-15007, ilustr. ISSN 2155-5435, DOI: 10.1021/acscatal.0c02557. [COBISS.SI-ID 42586371].