Zöldkémia Kutatócsoport

A Zöldkémia Kutatócsoport célja, hogy a fenntartható fejlődés elveivel összhangban kutatómunkájával hozzájáruljon a környezetterhelés csökkentéséhez, és megfelelő alapkutatási infrastruktúrát biztosítson a környezetkímélő, ill. zöld technológiák fejlesztéséhez. Ennek érdekében tanulmányozzuk az olyan eljárásokat, melyek segítségével a környezetre kevésbé ártalmas módszerekkel, lehetőleg természetes eredetű nyersanyagokból állíthatók elő a társadalom számára szükséges vegyi anyagok és energiahordozók, illetve vizsgáljuk a környezetbe kikerülő vegyületek sorsát, hogy felmérhessük az általuk potenciálisan okozott károkat.

Csoport vezető:

Tuba Róbert

Google Scholar

Fő kutatási irányok:

Homogén katalitikus folyamatok tanulmányozása, olefin metatézis kutatásokfacebook

Kutatási programjaink átmenetifém komplexek által katalizált reakciók tervezésére, megértésére és végrehajtására összpontosít fontos szerves reakciók szempontjából. Célunk többek között a finomkémiai szintézisektől kezdve, az anyagtudományon, a megújuló alapanyagok átalakításán át, a gyógyszeripari kutatásokig a tudományág fejlesztése.  Kutatásaink során új módszerek, szintézisutak, valamit katalizátorok fejlesztésével foglalkozunk. A metatézis kutatások célja új innovatív anyagok, polimerek, új generációs metatézis katalizátorok és olefin metatézisen alapuló környezetbarát kémiai folyamatok fejlesztése és azok gyakorlati alkalmazási lehetőségeinek kidolgozása.

Kutatási témák:

  • Biomassza hasznosítása: olefines kettőskötésben gazdag, megújuló alapanyagnak tekintett alga olajok és legfőképpen azok gyártása során képződő alacsony hozzáadott értékkel rendelkező alga foszfolipid melléktermék könnyű szénhidrogén, poliamid és poliészter alapú műanyagokká történő átalakításával foglalkozunk. A foszfolipidek transzészterezését követően a telítetlen zsírsavészterekből egyszerű olefinek keresztmetatézisével könnyű szénhidrogének, biológiai úton lebontható poliamid és poliészer alapanyag előállítása a cél. A kémiai eljárás során homogén, illetve szilícium-dioxid hordozóra felvitt Grubbs-féle katalizátorokat használunk. A foszfolipidek közvetlen metatézis reakcióját vizes oldatban, vízoldható katalizátorokkal is tervezzük megvalósítani. Ez az eljárás nemcsak környezetbarát, hanem az apoláros reakciótermékek és szennyezőanyagok gazdaságos elválasztását is lehetővé teszi.
  • Hidrogén tároló rendszerek fejlesztése: olyan hidrogéntároló rendszer kifejlesztése a célunk, ami enyhe körülmények között is hatékony, nem mérgező, környezetbarát anyagokat tartalmazó stabil rendszer. Olcsó katalizátorok alkalmazása mellett a reakciók vízben vagy vizes szuszpenzióban valósulnak meg, így felhasználóbarát, könnyen kezelhető energiatároló rendszerré fejleszthetőek lesznek. Új, irodalomban ismeretlen, de egyszerűen, olcsón szintetizálható polikarbonil/polialkohol vegyületek (pl. poli-vinil-alkohol típusú vegyületek, ciklikus polioxovegyületek polimerei, polimerekhez kötött polikarbonil vegyületek) fejlesztésével foglalkozunk. Vizsgáljuk, hogy milyen katalizátorrendszer képes vizes közegben már enyhe körülmények között is hatékonyan részt venni ezekben a reakciókban, fajlagosan minél több hidrogént eltárolni egységnyi tömegű polimerben.
  • Biopolimer szintézis: polivinil-alkohol kopolimer alapú hidrofil szintetikus polimerek számos gyógyszerhordozó, implantátum kompozit, valamint környezetbarát csomagolóanyag alapanyagai. Az alkalmazott polimerláncon található OH-csoportok száma befolyásolja a gyógyszerhordozó mátrix polaritását, amelynek mennyiségi módosítása lehetővé teszi a polimer polaritásának finomhangolhatóságát és ezáltal az előre definiált hatóanyagkioldódást a szervezetben. Olefin metatézisen alapuló polimerizációs eljárások jól definiált, különböző funkcionalitással rendelkező polimerek széles spektrumának szintézisét teszik lehetővé.
  • Molekuláris lenyomatú polimer szintézis: célzott rákterápiás gyógyszerkészítési protokoll kialakításának kiindulópontja az immunotoxin maszkolás és a szabályozott hatóanyag-felszabadulás megfelelő kombinációja lehet. “Molekuláris lenyomatú polimerek” (MIP-ek) alkalmasak lehetnek erre a célra, használatuk szintetikus molekuláris receptorként és fehérje hordozóanyagokként széles körben elterjedt, gyógyszerhordozóként azonban még kevéssé alkalmazzák őket. A célzott toxinok (TT) olyan immunotoxin fehérjék, amelyek egy fehérjealapú toxinból (sejt vesztést okoz) és egy olyan ligandumból állnak, amely egy ráksejt-specifikus felületi antigénhez kötődik. A TT-k biokompatibilis polimerrel való kapszulázása jelentősen lassíthatja az immunrendszer reakcióját és meghosszabbíthatja az immunotoxin fehérjék élettartamát in vivo. Feltehető, hogy a TT felületek polimer általi fedettsége az immunotoxint láthatatlanná teszi az immunrendszer számára. Továbbá a polimer biológiai lebonthatóságának szabályozásával finomhangolhatóvá válhat az immunotoxin felszabadulása. Célunk olyan innovatív TT védelmi módszer kidolgozása, amely során olefin metatézissel biológiai úton lebontható MIP-ek szintetizálhatók.

Legfrissebb publikációink:

  • Synthesis of Semiochemicals via Olefin MetathesisG. TurczelE. KovácsG. MerzaP. CoishP.T. Anastas, R. Tuba, ACS Sustainable Chem. Eng10.1021/acssuschemeng.8b05224

  • One‐pot Synthesis of 1,3‐Butadiene and 1,6‐Hexanediol Derivatives from Cyclopentadiene (CPD) via Tandem Olefin Metathesis Reactions, G. Turczel, E. Kovács, E. Csizmadia, T. Nagy, I. Tóth, R. Tuba,  ChemCatChemhttps://doi.org/10.1002/cctc.201801088

Heterogén katalitikus folyamatok tanulmányozása

A korszerű anyagtudomány eredményeire és módszereire alapozva az energia-kémia, a környezetbarát vegyipar és a környezetvédelem heterogén katalitikus eljárásait megalapozó kutatásokat folytatunk. Kutatjuk a megújuló szénforrások, biomassza és szén-dioxid, vegyi anyagokká illetve motorhajtó anyagokká konvertálásának heterogén katalitikus folyamatait, valamint keressük a levegő- és vízszennyező ipari emissziók csökkentését szolgáló heterogén katalitikus megoldásokat. Kutatómunkánkhoz tartozik az adszorbensek és katalizátorok (oxid-hordozós fém és fém-oxidok) előállítása, a rendezett szerkezetű pórusos anyagok (zeolitok, nanopórusos szilikátok) szintézise és módosítása, fizikai-kémiai jellemzése. A katalitikus mechanizmus mélyebb megértéséhez feltárjuk a katalizátorok felületi, szerkezeti és katalitikus tulajdonságai közötti összefüggéseket.

Kutatási témák:

Heterogén katalízis bioplatform vegyületek értéknövelő átalakítására:A biológiai eredetű anyagok a vegyipar potenciális megújuló szénforrásai. Napjainkban jelentős törekvések mutatkoznak a hagyományos fosszilis energiahordozók kiváltására biopolimerekkel, például fehérjékkel vagy lignocellulózzal, amelyhez hatékony technológiák kidolgozása szükséges. A biopolimerekből az első lépésben mechanikai, kémiai, biológiai vagy termokémiai módszerekkel monomereket előállítanak elő. A termékelegyből kinyert fő komponensek, az úgynevezett bioplatform vegyületek további reakcióban nagy hozzáadott értékű vegyianyagokká és üzemanyagokká alakíthatók. A katalízis kulcsfontosságú technológia a biomassza átalakításában. A kutatócsoport néhány fontos bioplatform vegyület heterogén katalitikus átalakulását vizsgálja.

  • Híd a bio- és a kemokatalízis között: A cukrok a lignocellulóz-hidrolízis elsődleges termékei. Az ipari biotechnológia a cukrokat bioetanollá konvertálja, amely üzemanyag adalékként vagy biodízelgyártáshoz alkalmazható. A növényi olaj alapú bioüzemanyag előállítás fokozatos visszaszorulása miatt a bioetanol iránt az érdeklődés egyre nő. Kutatócsoportunk heterogén katalitikus módszer kifejlesztésén dolgozik a bioetanol biobutanollá konvertálására, amely az etanolnál jobb üzemanyaghelyettesítő. Az aceton, butanol és etanol elegy (ún. ABE elegy) előállítása cukrok fermentációjával szintén hagyományos ipari biotechnológiai folyamat. Az ABE elegy C5-C11 alkánokká alakítható, melyek korlátlan mennyiségben alkalmazhatók benzin, ill. dízelolaj keverőkomponensként. Kutatócsoportunk az ABE elegy dízel üzemanyaggá alakításának lehetőségeit vizsgálja heterogén katalitikus úton.
  • Levulinsav és γ-valerolacton: A levulinsav ígéretes platform molekula, nagyüzemi előállítása már megvalósult. Nagy hozammal állítható elő a lignocellulóz cukor polimerjeiből, a cellulózból és a hemicellulózból. A kutatócsoport a levulinsav folyamatos üzemű, heterogén katalitikus átalakítását vizsgálja nagyobb hozzáadott értékű termékekké. Levulinsavból hidrogénes katalitikus oxigéneltávolítással megnövelt kalóriaértékű vegyületek, mint pl. γ-valerolakton, 2-metil-tetrahidrofurán, valeriánsav, alkoholok, olefinek és alkánok állíthatók elő. Az átalakítási reakciókhoz nagy aktivitású és szelektivitású stabilis katalizátor kifejlesztése igazi kihívást jelent.
  • Lignin, mint az aromás vegyületek megújuló nyersanyaga: A biomassza feldolgozás sikere jelentős mértékben attól függ, hogy a lignocellulóz lignin komponense milyen hatékonyan hasznosítható szénforrásként. A lignin egy komplex háromdimenziós amorf polimer, amely különböző metoxilezett fenil-propán egységekből áll. A lignocellulózból kinyert lignint először kémiai vagy termokémiai módszerekkel depolimerizálják. A jelenlegi kutatások főként ezekre a folyamatokra koncentrálnak, míg a monomerek, mint pl. a guaiacol, syringol, eugenol, katechol és coniferyl-alkohol értéknövelő átalakítására ezidáig viszonylag kevés figyelem irányult. E monomerekből származó folyékony tüzelőanyagok vagy vegyi anyagok heterogén katalitikus előállítása a csoportunk egyik kutatási témája.
  • Hulladékfehérje hasznosítás:A fehérje tartalmú állati melléktermékek, főképp a hús- és a csontliszt (meat and bone meal, MBM) biológiailag veszélyes anyagok. Az MBM pirolízisekor széntartalmú szilárd anyag (csontszén) és gáz állapotú termék (pirolízisgáz) képződik. A pirolízisgáz cseppfolyósítható frakciója az ún. csontolaj. Pirolízissel a biológiai veszélyes anyagokat semlegesítjük, de a képződő csontolaj a káros komponensei miatt kémiailag továbbra is veszélyes anyagnak minősül. A csontolaj közvetlen elégetése hagyományos üzemanyagként vagy adalékanyagként az égés során keletkező környezetszennyező káros gázkibocsátás miatt nem megengedhető, ugyanakkor a finomítása nem lehet gazdaságos. A csontolaj környezetbarát felhasználására koncentrálunk. A csontolaj katalitikus vízgőzös reformálása szintézisgázzá (H2+CO) jó megoldásnak tűnik.

Heterogén katalízis a gázemissziók csökkentésére: A határokat nem ismerő légszennyezés csökkentése rendkívül fontos feladat. A katalízis megbízható és költséghatékony megoldást kínál a különféle káros gázkibocsátások kezelésére. Kutatásaink célja nagy aktivitású és szelektivitású, költséghatékony és viszonylag alacsony hőmérsékleten működő katalitikus rendszer kifejlesztése a levegőt szennyező, például illékony szerves vegyületeket (Volatile Organic Compounds, VOCs), szén-monoxidot, nitrogén oxidokat (NOx), finom szilárd szemcséket, vagy ózont tartalmazó kibocsátások átalakítására a környezetre ártalmatlan anyagokká. A kívánt célok eléréséhez rendszerint katalitikus oxidációs vagy redukciós reakciók lejátszatása szükséges, amely reakciókban a szennyezőkomponens redukáló- vagy oxidálószer is lehet. Ilyenre példa a gépjárművek három-utas katalitikus rendszere. A motor kipufogógáza redukáló (CO, szénhidrogének) és oxidáló (NOx, O2) komponenseket is tartalmaz. Ezen a komponenseknek a katalitikus reakcióit úgy irányítják, hogy termékként a környezetre már ártalmatlan CO2, N2, és H2O keletkezzen. A kutatócsoportunk érdeklődése elsősorban az álló forrásokból származó VOC és NOx kibocsátás ártalmatlanítására irányul.

  • Illékony szerves vegyületek (VOC) teljes katalitikus oxidációja: A levegőben található kis koncentrációjú illékony szerves vegyületek (VOC) eltávolítására a teljes katalitikus oxidáció az egyik leghatékonyabb folyamat, melyben csak víz és szén-dioxid keletkezik. A kutatás legtöbbször a nemesfém alapú katalizátorok helyettesítésére irányul, leginkább átmenetifém-oxid tartalmú készítményekkel.  Kutatócsoportunk a toluol teljes oxidációját tanulmányozza micella templáttal szintetizált szilícium-dioxid katalizátorokon, amelyhez vas-, réz-, kobalt-, nikkel-oxid stb. nanorészecskéket építünk be a szilikát nanopórusaiba. Kutatásaink azt mutatják, hogy a két fémet tartalmazó (pl. Cu-Fe) katalizátorok aktívabbak és termikusan stabilisabbak, mint a csak egy fémmel módosítottak.
  • NOx szelektív katalitikus redukciója (SCR): Az ún. álló források, például erőművek füstgázából jelenleg V2O5/TiO2-alapú katalizátorokon ammónia redukálószerrel végzett szelektív katalitikus redukcióval (SCR) távolítják el a nitrogén-oxidokat. Ennek a technikának a hátránya a redukálószer korrozivitása, toxicitása és viszonylag magas ára, valamint az ammónia esetleges légkörbe kerülésének a veszélye. A földgáztüzelésű erőműveknél a legkedvezőbb eljárás az NOx nitrogénné alakítására az SCR reakció olcsó és bőven rendelkezésre álló metán redukálószerrel (CH4/NO-SCR). Ez azonban a metán nehéz aktiválhatósága miatt jelentős kihívást jelent, ugyanakkor a füstgáz jelentős O2 tartalma következtében a katalitikus szelektivitás is kulcskérdéssé válik. Ezért az ipari alkalmazáshoz szükséges követelményeknek eleget tevő katalizátor fejlesztése jelentős kihívást jelent a kutatás számára.

Legfrissebb publikációink:

Elméleti kémiai számítások

A csoportban folyó kísérleti vizsgálatokat elméleti módszerek alkalmazása is segíti. Vizsgáljuk a kémiai reakciók mechanizmusát, kinetikáját, dinamikáját, továbbá az átmenetifém-komplexek szerkezetét, fotofizikai és fotokémiai tulajdonságaikat valamint az általuk katalizált reakciók mechanizmusát. Az elméleti vizsgálatokban kvantumkémiai módszereket használunk a molekulák szerkezetének és fizikai tulajdonságainak meghatározására, valamint a kísérletileg is vizsgált reakciók potenciálisenergia-felületeinek számítására. Az utóbbiak ismeretében feltárjuk a reakciók mechanizmusát, és saját fejlesztésű módszerekkel számítjuk ki reakciókinetikai- és dinamikai paramétereiket. Hasonló elméleti módszerek segítik a katalitikus folyamatok mechanizmusának megismerését és az optimális katalizátorok kifejlesztését. A fotokémiai kísérletek értelmezéséhez nemadiabatikus dinamikai vizsgálatokkal járulunk hozzá.

Kutatási témák:

  • Gázfázisú elemi reakciók kinetikája és dinamikája (pl. CH3+HBr, CH3+HCl, H+O2, γ-valerolakton + OH)
  • Katalitikus reakciók mechanizmusa és kinetikája (pl. biomassza-származékok heterogén katalitikus átalakítása, Pd és PNligandumok, Grubbs-katalízis)
  • Fotokémiai reakciók kinetikája (5-hidroximetil-furfural, benzofenon, berberin)
  • Átmenetifém-komplexek szerkezetének és fotokémiájának elméleti vizsgálata (porfirin-komplexek, Fe és Ru N-tartalmú ligandumokkal alkotott komplexei)
  • Halometán molekulák fotoionizációjának és fotodisszociációjának vizsgálata
  • Fénnyel kapcsolható és fény-hasznosító vas-komplexek elméleti vizsgálata
  • Biomassza-származékok heterogén katalitikus átalakításának elméleti vizsgálata

Légkörkémiai kutatások

A csoport másik fő kutatási területe azon természetes fizikai-, kémiai- és biológiai folyamatok megismerése és jellemzése, amelyekben a környezetbe kerülő szennyezők más anyagokká alakulnak át. Különösen veszélyesek a természetes folyamatokban lassan lebomló, nagy biológiai aktivitású vegyületek, valamint az ózonpajzsot károsító, a klímaváltozást kiváltó, illetve a városi környezet levegőminőségét károsító légszennyező anyagok. Elsősorban olyan folyamatokat és jelenségeket vizsgálunk, amelyek fontos szerepet játszanak a klímaváltozás és a környezet kémiájának komplex kölcsönhatásában. Fontos reakciókinetikai és fotokémiai paramétereket határozunk meg, amelyek bemenő paraméterként szerepelnek a légkörkémiai és égési modellekben. Kísérletinkben legtöbbször lézeres technikát alkalmazunk a reaktív részecskék (pl. szabadgyökök) előállítására és detektálására.

Kutatási témák:

  • Légkörkémia, égéskémia, reakciókinetika, fotokémia, fotofizika, spektroszkópia.
  • Elemi kémiai reakciók, kinetikai paraméterek, reakciómechanizmus.
  • Kvantumhatásfok, élettartam, lézer-spektroszkópia, fotokémiai mechanizmus.
  • Modell molekulák: levulinsav, γ-valerolakton, 2-metil-tetrahidrofurán, 5-hidroximetil-furfural, etil-fluorid és acetil-fluorid.

Fotofizikai és fotokémiai kinetikai kutatások

Alapkutatás jellegű vizsgálatainkkal a gerjesztett állapotú rendszerekben lejátszódó fotofizikai kinetikai folyamatok mechanizmusát derítjük fel, illetve tanulmányozzuk a fotogerjesztés után lejátszódó gyökreakciók kinetikáját. Különös figyelmet fordítunk annak kutatásárára, hogy az oldószer tulajdonságok hogyan befolyásolják az elemi reakciók sebességét.

Kutatási témák:

  • Kettős lumineszcenciás rendszerek fotofizikai kinetikája.
  • A hidrogén-híd kötés hatása a fotofizikai folyamatokra.
  • Oldószer polaritás hatása a lumineszcencia színképekre.
  • Fotoredukciós rendszerek fotokémiai kinetikája (aceton, benzofenon és furfural-származékok reakciói alkoholokkal és szénhidrogénekkel).

Szakértelemtár

Együttműködések

Oktatási tevékenység

Mérőberendezések

 

Munkatársak

2018-12-04T15:36:42+00:00 2018. április 9.|Kutatócsoportok|
X