Projecte Europeu ProDIA: ‘La industrialització de les “Metal-Organic Frameworks” (MOF) és ara més fàcil que mai’
El projecte Europeu ProDIA ha assolit un avenç en la fabricació de les MOF, xarxes metal·loorgàniques poroses més conegudes pel seu nom en anglès metal-organic frameworks (MOF). Aquesta aportació facilitarà la seva comercialització de manera significativa, portant els processos de fabricació a l’escala dels quilograms. L’ICN2 ha estat clau en un dels mètodes proposats, l’assecat per aspersió, una tecnologia patentada que en col·laboració amb altres membres del projecte ja disposa d’una planta de fabricació pilot.
Els membres del projecte Europeu ProDIA han desenvolupat amb èxit processos de síntesi que permeten fabricar a escala industrial les MOF, xarxes metal·loorgàniques poroses més conegudes pel seu nom en anglès metal-organic frameworks (MOF). Aquests mètodes innovadors han reduït significativament les despeses de producció permetent que les MOF tinguin un preu competitiu davant de molts materials comercialitzats actualment. Amb aquesta capacitat d’oferir materials porosos avançats a un preu econòmicament viable, ara es podran fer realitat els avantatges derivats del seu rendiment superior. Per fi les MOF estan en disposició d’afrontar els grans reptes en àrees d’aplicació energètica, mediambiental i sanitària.
Què és una MOF?
Les MOF són uns dels materials més interessants que ha ofert la ciència en les darreres dues dècades. Són sòlids en pols formats per metalls o clústers metàl·lics units per lligands orgànics a xarxes esteses que sovint tenen una gran porositat en el forma de nanoporus (1 nanòmetre = 10-9 metres). Els petits porus o cavitats fan que aquests materials MOF siguin ideals per a l’emmagatzematge de gasos com CH4, H2O, CO2, NH3 i NO entre molts d’altres. De fet, juntament amb la seva flexibilitat química s’ha demostrat que les MOF tenen un gran potencial en nombrosos sectors que inclouen àrees d’aplicació energètica, mediambiental i biològica. Fins ara, el nombre (diversos milers) i la taxa de publicacions científiques relacionades amb la síntesi, caracterització i aplicació dels materials MOF han trencat tots els registres previs. No obstant això, fins ara l’impuls acumulat en aquests estudis acadèmics encara no s’ha traduït a l’ús industrial.
Qui som ProDIA?
En el marc del projecte europeu de recerca col·laborativa ProDIA, 12 socis de la indústria, instituts de recerca i universitats van unir esforços amb l’objectiu d’accelerar la industrialització dels materials nanoporosos. Dins dels tres anys de duració del projecte, l’ambiciós objectiu consistia en vincular a experts en síntesi, conformació i formulació amb usuaris d’aplicacions finals per crear processos escalables que permetessin fabricar MOF llestes per a la seva aplicació. El consorci ProDIA va rebre 7 milions d’euros del programa Horizon 2020 de la Unió Europea per finançar un gran esforç global (760 person months en el llenguatge tècnic dels projectes Europeus).
Què ha aconseguit ProDIA?
El consorci del projecte ha assolit avenços significatius en dues àrees crítiques per a la industrialització/fabricació i conformació/formulació de les MOF. Es van explorar, desenvolupar i validar diversos processos de fabricació per fer possible la producció a l’escala dels quilograms de materials MOF amb qualitats estructurals i químiques diverses. També es van fabricar, caracteritzar i provar diverses formulacions per obtenir les MOF en pols aplicables en àrees clau com l’emmagatzematge de gas per a energia mòbil neta, solucions de refredament basades en calor residual per a centres de dades, purificació d’aire i prevenció d’infeccions adquirides a través de dispositius mèdics. Les dades recollides demostren el rendiment superior obtingut pels nous materials fabricats quan es comparen amb els paràmetres de referència de la indústria, confirmant el seu immens potencial de futur.
Les MOF dissenyades a l’ICN2
Un conjunt d’investigadors i investigadores, coordinat pel Dr. Inhar Imaz i el Prof. ICREA Daniel Maspoch des de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), són el cervell d’un dels mètodes per a la síntesi de MOF impulsat pel projecte: l’assecat per aspersió (spray-drying). Una història d’èxit dins d’una història d’èxit, el mètode d’assecat per aspersió de l’ICN2 es va publicar per primer cop aNature Chemistry l’any 2013, es va patentar i l’any 2015 es va llicenciar a MOFApps, membres de ProDIA. En el context d’aquest projecte, s’ha ampliat la capacitat de producció de grams a quilograms en col·laboració amb el grup de recerca dirigit pel Prof. David Farrusseng (IRCELYON, CNRS) i Axel’One.
La clau d’aquest ràpid viatge del laboratori a la indústria és el fet que el mètode s’ha adaptat a partir d’un procés industrial comú que no requereix cap equip especialitzat. També utilitza l’aigua com a mitjà de reacció, la qual cosa el converteix en una ruta de baix cost i respectuosa amb el medi ambient per a la producció contínua d’una gamma de materials MOF porosos. Única a Europa, la instal·lació de prova de concepte situada a Axel’One té una alçada de 10,5 metres i en poques hores produeix diverses desenes de quilograms de HKUST-1, unes MOF basades en el coure. Aquest és un pas important cap a la producció industrial (~ 300kg/dia) de MOF mitjançant l’assecat per aspersió, que donaria a aquests materials el preu competitiu que necessiten per a la seva producció en massa.
El Prof. S. Kitagawa (Kyoto University), el pioner en la recerca de les MOF i l’investigador més citat del camp, explica: “El projecte ProDIA és un veritable èxit en l’àmbit de la innovació: ICN2, IRCELYION i Axel’One i els seus resultats a gran escala han fet una important contribució. La disponibilitat de les MOF a escala pilot permet preveure el seu ús futur en aplicacions a gran escala”.
Que ens depara el futur?
Avui, amb la capacitat de produir les MOF a escala multi-quilogram, és possible preveure el seu ús futur en àrees d’aplicació a gran escala, com el refredament de centres de dades, la purificació d’aire, la prevenció d’infeccions i l’emmagatzematge de gas natural o hidrogen per al transport.
Sens dubte, el destí de les MOF és cristal·lí.
Sobre l’ICN2
L’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) es dedica a la generació de coneixement, materials i dispositius en l’àmbit de les TIC (tecnologies de la informació i la comunicació), la salut, l’energia i el medi ambient. La seva experiència es troba a la nanoescala, on constantment es descobreixen noves propietats i interaccions i formes d’aprofitar-les en la vida quotidiana. Entre els seus objectius es troba reunir a especialistes de diverses procedències en la recerca d’una millor ciència, una millor formació i una millor divulgació cap a la societat, a la vegada que es busquen noves maneres de relacionar-se amb la indústria local i global. L’institut va ser acreditat com a Centre d’Excel·lència Severo Ochoa el 2014 i renovarà aquest guardó el 2018 per quatre anys més. Els seus patrons són la Generalitat de Catalunya, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas(CSIC) i la Universitat Autònoma de Barcelona, on es troba ubicat. L’ICN2 és també un dels membres fundadors del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST).
El Grup NANOUP, encapçalat pel Prof. ICREA Daniel Maspoch, amb seu a l’ICN2, té una llarga trajectòria en la transferència de tecnologies de producció de MOF a la indústria. Els seus interessos d’investigació consisteixen de forma àmplia a explorar formes d’assemblar materials amb espais buits i utilitzar aquests espais per encapsular, emmagatzemar, separar, reaccionar i alliberar molècules amb una utilitat.♦
Patents ICN2: Method for the preparation of metal-organic frameworks. EP 11183773.8 i EP16382120.0
Article a Nature Chemistry: A. Carné-Sánchez, I. Imaz, M. Cano-Sarabia, D. Maspoch. A spray-drying strategy for synthesis of nanoscale metal-organic frameworks and their assembly into hollow superstructures. Nature Chemistry. Vol. 5, Issue 3, pp. 203-211 (2013). DOI: 10.1038/nchem.1569
