Nanomateriál „z Marsu“ má umožnit levnější výrobu léčiv a chemikálií

Vědci se zaměřili na šetrnou přípravu mnoha chemických látek používaných ve farmacii, zemědělství, petrochemickém či potravinářském průmyslu - tzv. hydrogenací, tedy reakcí s využitím molekulárního vodíku. Jednou z nezbytných podmínek pro urychlení a zlepšení těchto chemických reakcí je použití katalyzátoru.

Cílem bylo vyvinout levný a netoxický materiál, který by dokázal přeměny organických sloučenin zlevnit a zefektivnit.

V současnosti se totiž k tomuto účelu využívají především vzácné kovy, jako jsou platina, palladium nebo ruthenium, což průmyslovou výrobu výrazně prodražuje. Jako účinný katalyzátor sice slouží např. i nikl, jenže ten je toxický.

„Společně s německými kolegy jsme studovali procesy hydrogenační syntézy aminů, což jsou výchozí látky či meziprodukty zejména při výrobě léčiv - aminoskupiny totiž obsahuje více než 40 procent všech léčiv. Aminy ale hrají důležitou roli i při výrobě barviv, plastů, tenzidů, dezinfekčních materiálů nebo zemědělských chemikálií. Při vývoji nového hydrogenačního katalyzátoru jsme vsadili na železo a oxid křemičitý, tedy široce dostupné, netoxické a levné materiály,“ shrnul Manoj Gawande z olomouckého institutu CATRIN.

Příprava nového nanomateriálu je podle vědců levná a technologicky snadno přenositelná do průmyslového měřítka. Materiál lze použít opakovaně a má být mimořádně účinný při syntéze široké škály aminů.

„Díky chemickému složení a topografii si ho můžeme představit jako povrch Marsu, jen v mnohonásobném zmenšení. Z křemenné hmoty vyrůstají tyčovité nanočástice železa, které vytváří jakési krátery na povrchu katalyzátoru. Nanočástice železa jsou obaleny několikananometrovou slupkou oxidu železitého, která se ukazuje jako zcela klíčová pro dosažení vysoké výtěžnosti aminů. Neméně důležitá je přítomnost malého množství hliníku,“ popsal materiál Radek Zbořil z CATRIN a VŠB-TUO.

Právě objasnění souvislosti mezi chemickým složením katalyzátoru a jeho mimořádnou účinností podle něj bylo pro česko-německý tým největší výzvou.

Podle vedoucího německého týmu a ředitele Leibnizova ústavu pro katalýzu v Rostocku Matthiase Bellera jde o „téměř magický nanomateriál“.

„Všechny komponenty v něm mají definovanou roli. Věřím, že tato společná práce může mít zásadní dopad v globální snaze o nalezení průmyslově uplatnitelného levného katalyzátoru, který by mohl nahradit doposud používané vzácné kovy a který bude fungovat také v dalších důležitých reakcích s použitím molekulárního vodíku,“ dodal Beller.

Výzkumníci nanomateriál úspěšně otestovali na více než 80 organických reakcích včetně syntézy tzv. mastných aminů.

Ty se hojně používají při výrobě zemědělských chemikálií, kosmetiky, antimikrobiálních přípravků a celé řady dalších produktů. Jejich obrat na trhu tvoří podle zástupců Univerzity Palackého přes tři biliony amerických dolarů.

Výsledky česko-německého výzkumu zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Catalysis.