Olomoučtí vědci urychlují chemické reakce pomocí jediného atomu

Na rozdíl od klasických pevných katalyzátorů umožňuje nová metoda podle Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) olomoucké Univerzity Palackého (UP) využít všechny atomy pro zvýšení výtěžnosti reakce, čímž se snižuje potřebné množství kovů a celkové výrobní náklady.

Katalytické reakce se odehrávají všude kolem nás, taktéž v lidském těle. Pevné kovové katalyzátory se používají nejen v automobilech, kde snižují množství škodlivin ve výfukových plynech, ale i při průmyslové výrobě vodíku, amoniaku, kyseliny sírové, dusičné a mnoha další látek.

Kovové katalyzátory jsou v průmyslových výrobách oblíbené, jelikož je lze snadno separovat z produkční směsi a znovu použít.

Oproti kapalným katalyzátorům jsou však většinou méně účinné, což je dáno menším počtem atomů, jež jsou v kontaktu s reakční směsí. Čeští a italští vědci proto hledali cestu, jak vyrobit vysoce účinný pevný katalyzátor, ve kterém jsou všechny atomy kovu dobře přístupné látkám v reakční směsi.

„Použili jsme chemicky upravený grafen, tedy dvourozměrný uhlíkový materiál, na který jsme upevnili vhodné funkční skupiny. Ty fungují jako chemické spojky pro následné pevné navázání atomů kovů. Tímto způsobem jsme ukotvili jednotlivé atomy mědi na povrch grafenu a prokázali jejich rekordní účinnost v urychlení chemických reakcí používaných při výrobě farmaceuticky významných substancí,“ popsal ředitel RCPTM Radek Zbořil.

S rozvojem nanotechnologií a zmenšením rozměrů kovových katalyzátorů se jejich účinnost podle UP doslova dramaticky zvýšila, neboť nanomateriály mají větší počet atomů na svém povrchu a mohou snadněji ovlivňovat chemické reakce.

„Nalezení univerzální technologie, která umožní ukotvit a využít jednotlivé atomy, znamená unikátní spojení výhod kapalných a pevných katalyzátorů, což bylo doposud nerealizovatelné,“ pokračoval Zbořil.

Výhodou nové technologie je podle něj zapojení všech kovových atomů do katalytického děje. Z toho plyne i menší množství katalyzátoru, které je pro reakci zapotřebí.

„Většina doposud vyvinutých přístupů nedovoluje dostatečně pevné ukotvení atomů, dochází tak k jejich uvolnění v průběhu reakce nebo při opakovaném použití. Technologie vyvinutá v Olomouci je ojedinělá díky možnosti pevně ukotvit široké spektrum jednotlivých atomů v dostatečném množství, a dokonce řídit i jejich oxidační stav. Nové katalyzátory tak nabízejí široké spektrum využití,“ doplnil Paolo Fornasiero z Terstské univerzity v Itálii.

Podle Aristidese Bakandritsose z RCPTM příprava katalyzátoru nevyžaduje náročné podmínky. Chemické navázání atomů se podle jeho tvrzení děje při pokojové teplotě.

Výchozí materiál pro výrobu grafenového substrátu je grafit fluorid – průmyslový lubrikant dostupný v tunách, tudíž převod výroby do většího měřítka je poměrně dobře proveditelný.

„Umíme na grafen pevně ukotvit atomy dalších kovů jako zlato, platina, železo, kobalt či nikl. Již nyní máme výborné výsledky například v elektrokatalytických reakcích směřujících k získávání alternativních zdrojů energie. Zde využíváme kombinace vodivosti grafenu a účinnosti ukotvených atomových kovových katalyzátorů,“ uvedl.

Nedávné pokroky v chemii grafenu vedly v laboratořích RCPTM k vývoji řady unikátních materiálů a technologií, a to včetně přípravy nejmenších kovových magnetů nebo naopak prvních nekovových – uhlíkových magnetů.