Oxidační atmosféra prodlouží život katalyzátorů

17. června 2019

Na obálce předního chemického časopisu Journal of Materials Chemistry A byla vyzdvižena práce vědců z Katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK, která na atomární úrovni identifikuje mechanizmy přispívající k dlouhodobé stabilitě a vysoké aktivitě průmyslově využívaných katalyzátorů.

Obrázek reprodukován se svolením Josefa Myslivečka a The Royal Society of Chemistry z publikace J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 13019-13028, https://doi.org/10.1039/C9TA00823C.

Strukturu katalyzátorů, které jsou nasazovány v chemické syntéze, ochraně životního prostředí nebo při zpracování energie z obnovitelných zdrojů často tvoří nanočástice drahých kovů na oxidovém substrátu. Při provozu katalyzátorů za vysokých teplot dochází k nežádoucímu jevu takzvaného hrubnutí. Nanočástice drahého kovu se v rámci struktury katalyzátoru snaží minimalizovat svoji povrchovou energii, takže se slévají do větších částic, podobně jako kapky vody na oroseném skle. V důsledku tohoto jevu katalytická aktivita struktury klesá a postupující hrubnutí směřuje k úplné deaktivaci katalyzátoru.

Tým experimentátorů z KFPP MFF UK spolu s teoretiky z Ústavu pro materiály italské Národní rady pro výzkum (CNR-IOM) a z konsorcia CERIC-ERIC v Terstu zkoumá možnosti odstranění zmíněných potíží katalyzátorů pomocí opačného jevu, takzvané redisperze. V principu je možné na vhodných substrátech a při vhodných chemických podmínkách docílit nového energetického stavu celé struktury, který bude přirozeně zachovávat malé nanočástice.

Proběhlý výzkum vysvětluje redisperzi na atomární úrovni u průmyslově významného katalyzátoru Pt na substrátu CeO2 (oxid ceričitý). Ukázalo se, že energeticky nejvýhodnější konfigurací Pt za přítomnosti oxidační atmosféry jsou nejmenší možné objekty, tedy izolované atomy Pt vázané na povrchové defekty CeO2 a přebytečné atomy kyslíku.

Aplikací oxidační atmosféry lze tedy dosáhnout opětovného rozpouštění zvětšených Pt nanočástic a prodloužení životnosti katalyzátoru. Zajímavé je, že izolované povrchově vázané atomy Pt jsou pro řadu chemických reakcí neaktivní. V těchto případech může být aplikace oxidační atmosféry jedním z technologických kroků směrem k ustavení optimální velikosti Pt nanočástic a maximalizaci aktivity katalyzátoru.

OPMK