VÝZKUM A VÝVOJ
Průmyslová hnojiva umožňují zemědělcům vypěstovat více potravin na menší ploše. Hlavní metoda výroby průmyslového čpavku, která se používá již více než sto let, Haber- -Boschův proces ale představuje téměř 2 % všech emisí oxidu uhličitého, protože vyžaduje fosilní paliva. Dvě procenta možná nezní až tak hrozivě, ale oxid uhličitý přidáváme do atmos- féry rychleji, než ho planeta dokáže absorbovat, a proto jakýkoliv proces vedoucí ke snížení to- hoto čísla, se počítá. Haber-Boschův proces pro- dukuje ročně asi 500 milionů tun CO 2 . Poznatky z této studie by mohly vědcům po- moci pochopit i další postupy výroby uhlíkově ne- utrálního čpavku pro jiné aplikace. » www.ornl.gov BEZPEČNÉ SKLADOVÁNÍ VODÍKU V PODOBĚ PEVNÉHO DISKU Evropský patentový úřad (EPO) oznámil, že francouzští vynálezci Patricia de Rango, Daniel Fruchart, Albin Chaise, Michel Jehan a Nata- liya Skryabina se stali vítězi kategorie „Výzkum“ v soutěži o Evropskou cenu pro vynálezce za rok 2023. Tito výzkumníci, kteří byli vybráni z více než 600 kandidátů, objevili způsob, jak účinně a bezpečně skladovat vodík. Jedná se o pevné disky, které skladování a přepravu vodíku značně zjednodušují. „ Hledání zelené, obnovitelné a dostatečné energie je jedním z hlavních problémů a výzev pro lidstvo. Vodík má velký potenciál, ale jeho skladování a distribuce přinášejí logistické a bezpečnostní komplikace. Toto ocenění nás po- souvá na cestě k dekarbonizované budoucnosti, a to uplatněním našeho řešení skladování vodíku v průmyslovém měřítku, “ říká vítězný tým. Vodík hraje klíčovou roli při přechodu na čistou energii, protože je třikrát energeticky účinnější než fosilní paliva. Zabírá však více místa, čímž vyžaduje více energie na úpravu, a to jeho stla- čení a skladování. Podle zprávy Global Hydrogen Review 2022, kterou zveřejnila Mezinárodní ener- getická agentura (IEA), poptávka po tomto prvku v roce 2021 dosáhla 94 milionů tun a představo- vala zhruba 2,5 % konečné celosvětové spotřeby energie. Jedním z hlavních cílů v odvětví je bez- pečnější a efektivnější skladování. Pevný vodík na trhu v milionech tun Díky propojení znalostí z oblasti fyziky a inže- nýrství vyvinul francouzský tým atomovou struk- turu a proces, který vede k tomu, že pevný vodík je skladován ve formě disku, který je bezpeč- nější, stabilnější a při zahřátí se nevznítí. Tato metoda také vyžaduje méně energie než skla- dování vodíku v kapalné formě nebo jako plyn pod velmi vysokým tlakem, a je proto dlouho- době udržitelnější. Disk lze skladovat roky, aniž by došlo k jeho degradaci. „ Systém je velmi bez- pečný díky použitému nízkému tlaku, “ řekl Daniel Fruchart, jeden z odborníků týmu. „ Mohu jej bez obav položit přímo na stůl a k obávané reakci se vzduchem nedojde. “ Francouzský tým používá k ukládání vodíku hydrid hořečnatý (MgH 2 ). Při uvolňování vodíku se do směsi přidává expando- vaný grafit, který odvádí teplo. Ten je pak mecha- nicky stlačen do disku, který se snadno skladuje a přepravuje. Teplo z reakce se navíc ukládá re- verzibilně, což znamená, že celková energetická účinnost se zvyšuje o 80 %. Jejich vynález již byl komerčně využit v Evropě, Austrálii a Japonsku. » www.epo.org
což je zásadní požadavek pro energetické využití vodíku. » www.riken.jp
NOVÝ MATERIÁL UMOŽŇUJE LEPŠÍ BATERIE A PALIVOVÉ ČLÁNKY NA BÁZI VODÍKU Výzkumníci pod vedením Genkiho Kobajašiho z japonského Klastru pro průkopnický vý- zkum RIKEN vyvinuli pevný elektrolyt pro trans- port hydridových iontů (H ‒ ) při pokojové teplotě. Tento průlom znamená, že výhody pevnolátkových baterií a palivových článků na bázi vodíku jsou v praxi na dosah, včetně vyšší bezpečnosti, účinnosti a hustoty energie, které jsou nez- bytné pro pokrok směrem k praktickému ener- getickému hospodářství založenému na vodíku. Studii publikoval vědecký časopis Advanced Energy Materials . Aby se skladování energie a paliva na bázi vo- díku rozšířilo, musí být bezpečné, velmi účinné a co nejjednodušší. Současné palivové články na bázi vodíku používané v elektromobilech fungují tak, že při výrobě energie procházejí protony vo- díku z jednoho konce palivového článku na druhý přes polymerní membránu. Účinný a rychlý po- hyb vodíku v těchto palivových článcích vyžaduje vodu, což znamená, že membrána musí být ne- ustále hydratována, aby nevysychala. Toto ome- zení zvyšuje složitost a náklady na konstrukci ba- terií a palivových článků, což omezuje praktickou využitelnost příští generace energetiky založené na vodíku. Aby tento problém překonali, snaží se vědci najít způsob, jak vést záporné hydridové ionty pevnými materiály, a to při pokojové teplotě. Čekání je u konce. „ Dosáhli jsme skutečného milníku, “ říká Kobajaši. „ Náš výsledek je první demonstrací pevného elektrolytu, který vede hy- dridové ionty při pokojové teplotě. “ Tým experimentoval s hydridy lanthanu (LaH 3- δ ) z několika důvodů: vodík lze relativně snadno uvolnit a zachytit, vodivost hydridových iontů je velmi vysoká, mohou pracovat při teplotách pod 100 °C a mají krystalovou strukturu. Při poko- jové teplotě se však počet vodíků navázaných na lanthan pohybuje mezi 2 a 3, což znemož- ňuje účinnou vodivost. Tento problém se nazývá nestechiometrie vodíku a byl největší překážkou překonanou v nové studii. Když vědci nahradili část lanthanu stronciem (Sr) a přidali jen špetku kyslíku ‒ pro základní vzorec La 1-x Sr x H 3-x-2y O y , zís- kali výsledky, v něž doufali. Tým připravil krystalické vzorky materiálu po- mocí procesu zvaného kulové frézování a násled- ného žíhání. Studovali vzorky při pokojové teplotě a zjistili, že mohou vést hydridové ionty vysokou rychlostí. Poté otestovali jeho výkon v polovodi- čovém palivovém článku vyrobeném z nového materiálu a titanu, přičemž měnili množství stron- cia a kyslíku ve vzorci. Při optimální hodnotě nej- méně 0,2 stroncia pozorovali úplnou 100% kon- verzi titanu na hydrid titanu neboli TiH 2 . To zna- mená, že téměř nulové množství hydridových iontů přišlo nazmar. „ V krátkodobém horizontu naše výsledky po- skytují vodítka pro návrh materiálů pro pevné elektrolyty vedoucí hydridové ionty, “ říká Koba- jaši. „ Z dlouhodobého hlediska se domníváme, že se jedná o zlomový bod ve vývoji baterií, pa- livových článků a elektrolytických článků, které fungují na bázi vodíku. “ Dalším krokem bude zlepšení výkonu a vytvoření elektrodových ma- teriálů, které mohou reverzibilně absorbovat a uvolňovat vodík. To by umožnilo dobíjení baterií a také by to umožnilo ukládat vodík do zásob- níků a v případě potřeby jej snadno uvolňovat,
KATALYZÁTOR VYRÁBÍ LÉKY UVNITŘ TĚLA, ABY SE MINIMALIZOVALY VEDLEJŠÍ ÚČINKY Vysoce aktivní katalyzátor schopný syntetizovat molekuly léčiv v těle vyvinuli chemici klastru RI- KEN . U myší potlačilo protinádorové léčivo se- stavené v blízkosti nádorů pomocí vstříknutého katalyzátoru růst nádoru. U běžných léků podávaných injekčně nebo v tabletách cirkuluje molekula účinného léčiva v celém těle a zaplavuje nejen cílové místo, ale i zdravé tkáně. Výsledné nežádoucí účinky mo- hou být tak závažné, že mohou způsobit trvalé poškození a vynutit si přerušení léčby. Sestavení molekul léků na cílových místech v těle by mohlo zvýšit jejich účinnost a zároveň minimalizovat obávané vedlejší účinky. „ Přímá syntéza léčiv v těle by umožnila lé- kům léčit nemoci, aniž by způsobovaly vedlejší účinky ve zdravých tkáních, “ říká Katsunori Ta- naka, vedoucí vědecký pracovník laboratoře biofunkční syntetické chemie RIKEN. „ Proto po- třebujeme biokompatibilní biokatalytický systém, který by prováděl syntézu léčiv v blízkosti cílo- vých míst v těle nemocného. “ Tým se zaměřil na sestavení léku v těle po- mocí katalytické chemické reakce zvané olefi- nová metateze. „ Metateze olefinů je jednou z nej- účinnějších metod pro vytváření dvojných vazeb mezi uhlíkem a uhlíkem pro syntézu léčiv, “ vy- světluje Tanaka. „ Pokud by se nám ji podařilo v těle rozpracovat, umožnilo by nám to syntetizo- vat mnoho různých typů léčiv. “ Většina chemických katalyzátorů je rychle de- aktivována biomolekulami v krevním řečišti. Aby tento problém překonal, tým zabalil katalyzátor olefinové metateze na bázi ruthenia do ochran- ného proteinu zvaného lidský sérový albumin. Tanakův tým již dříve prokázal, že komplex chloridu ruthenia zabudovaný do lidského séro- vého albuminu, který tvoří katalytickou sestavu zvanou umělý metaloenzym, je v krvi do jisté míry aktivní. Nyní ukázali, že přechodem na komplex jodidu ruthenia vzniká mnohem lepší umělý me- taloenzym. Při nízkých koncentracích katalyzátoru kata- lyzoval nový katalyzátor na bázi jodidu ruthenia (AlbRuI) tři typy reakcí metateze olefinů v krvi s vysokým výtěžkem. „ AlbRuI také vykazoval v krvi stabilitu po dobu 24 hodin, “ říká Tanaka. „ To rozšiřuje biokompati- bilitu umělých metaloenzymů a otevírá dveře pro vývoj obecných umělých metaloenzymů na bázi kovů pro katalytické reakce v krvi. “ Tým také prokázal, že nízká dávka AlbRuI za- měřená na rakovinu významně inhibuje růst ná- doru u myší prostřednictvím lokalizované syntézy protinádorového léčiva. Tým má v úmyslu rozšířit využití navrženého katalyzátoru. „ Doufáme, že AlbRuI využijeme k syntéze různých bioaktivních molekul, “ říká Tanaka. „ Pak bychom jej mohli použít nejen k léčbě rakoviny, ale i dalších nemocí a to bez vedlejších účinků. “ » www.riken.jp
29
CHEMAGAZÍN • 1 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook Ebook Creator