Modelové katalyzátory

Katalyzátor je látka, která zvyšuje rychlost chemické reakce, aniž by sama prošla trvalou chemickou změnou. Účinek katalyzátorů je znám jíž ze starověku, ale je to jen asi dvě stě let, co jsme tomuto fenoménu začali rozumět. V dnešní době jsou v Evropě katalytické reakce spojeny s přibližně 30% hrubého domácího produktu a v určitém okamžiku se podílejí na zpracování více než 80% všech vyráběných produktů.

Význam průmyslové katalýzy lze ilustrovat Haber-Boschovým procesem. Od svého vynálezu v prvním desetiletí 20. století slouží jako hlavní způsob výroby amoniaku, který se v zemědělství používá jako hnojivo. Jen díky tomuto procesu se celosvětová populace v minulém století dokázala zvýšit téměř pětinásobně. Vedlejším účinkem je, že téměř polovina dusíku v průměrném lidském těle má původ v Haber-Boschovém procesu.

Průmyslová katalýza je však složitá! Například při heterogenní katalýze probíhá reakce mezi plynnými složkami na povrchu pevného materiálu, který obvykle obsahuje několik složek. Reakce zahrnuje několik kroků, jako je adsorpce, disociace a difúze reaktantů, difúze a desorpce produktů, a může dokonce zahrnovat dočasné změny katalyzátoru. Každý z kroků je samostatnou reakcí. Každý krok může mít jinou rychlost, může se odehrávat na jiném místě na povrchu a může být ovlivněn dalšími reakčními kroky, které se dějí ve stejnou dobu na povrchu. Pochopení celé reakce vyžaduje vývoj specifických, povrchově citlivých technik, které mají vysoké prostorové, časové a chemické rozlišení a mohou fungovat během probíhající reakce.

V současné době většina metod povrchové vědy není vhodná pro studium skutečných 3D průmyslových katalyzátorů, které obvykle pracují při zvýšené teplotě a tlaku. Z tohoto důvodu jsou zjednodušené verze katalyzátorů, tj. modelové katalyzátory, často studovány za zjednodušených podmínek. 3D porézní vícesložkové katalyzátory jsou obvykle studovány jako nanoskopické klastry nesené planárními monokrystaly a teplota a tlak jsou obvykle výrazně sníženy, aby umožnily použití analytických metod. Teprve v poslední době jsou vyvíjeny a využívány metody, které jsou schopné pracovat v blízkosti provozních podmínek průmyslových katalyzátorů, tj. metody operando. Příklady takových metod jsou skenovací tunelová mikroskopie ve zvýšeném tlaku (NAP-STM) a rentgenová fotoelektronová spektroskopie ve zvýšeném tlaku (NAP-XPS).

Abychom mohli vyvinout čistší a efektivnější katalyzátory budoucnosti, musíme plně porozumět mikroskopickým procesům probíhajícím na povrchu a musíme tyto procesy propojit s makroskopickými efekty. Studium a vývoj nových modelových katalyzátorů jsou proto jedním ze základních kamenů výzkumu ve Skupině Nanomateriálů.