Přeměny ropných uhlovodíků na užitečné produkty představují jednu z nejdůležitějších oblastí chemického průmyslu a tvoří tak jeden z průmyslových základů současné společnosti. Na druhou stranu představují tyto procesy značnou zátěž pro životní prostředí. To vede k maximální snaze vyvíjet nové technologie, které jsou k životnímu prostředí šetrnější. Vzhledem k tomu, že většina výrob v oblasti organické chemie je založena na katalytických procesech, je potřeba nové generace katalyzátorů, umožňujících selektivnější, energeticky méně náročné procesy a zpracování nových typů vstupních surovin (včetně biomasy nebo odpadových, dosud nevyužívaných materiálů).
Zeolity tvoří v současnosti největší a nejvýznamnější skupinu heterogenních katalyzátorů používaných v chemické výrobě. Přestože jsou širší veřejnosti prakticky neznámé, jejich využití v katalýze společně s jejich použitím při separaci plynů (výroba dusíku jako suroviny pro výrobu čpavku a kyslíku pro ocelářství), z nich činí materiály, bez kterých si lze současnou civilizaci obtížně představit. Jedná se o složité hlinitoktřemičitany, krystalické materiály s trojrozměrnou strukturou tvořené převážně tetraedry SiO4 spojenými přes své vrcholy. Na rozdíl od křemene jsou ale atomy v zeolitech uspořádány tak, že vzniklý materiál je porézní, póry velikostí odpovídají menším molekulám a díky tomu, že jsou zeolity krystalické, kanálová struktura je pravidelná. Různé uspořádání SiO4 tetraedrů pak poskytuje celou řadu různých struktur s různou velikostí a uspořádáním kanálů nebo propojených dutin. Díky tomu je většina SiO4 tetraedrů přístupná na povrchu kanálů. Protože jsou zeolity hlinitokřemičitany, část tetraedrů SiO4 je ve struktuře zeolitu nahrazeny AlO4– tetraedry, které ale nesou negativní náboj. Ten musí být kompenzován pozitivním nábojem kationtu umístěným mimo krystalovou mřížku zeolitu. V případě zeolitů používaných jako katalyzátory v petrochemii je tímto kationtem proton, v případě redoxních procesů jako je eliminace oxidů dusíku kation kovu. Zeolit tak může představovat silnou kyselinu v prášku a jeho kyselé protony představují aktivní centra pro transformace uhlovodíků.
Vzhledem k tomu, že protony kompenzují atomy hliníku, je uspořádaní atomů hliníku v zeolitu jedním z klíčových parametrů, které mohou ovlivňovat katalytické vlastnosti zeolitických katalyzátorů. Jedná se jak o vzdálenosti hliníkových atomů, které rozhodují o tom, zda na ně navázané protony mohou spolupracovat či zda bude zeolit schopný stabilizovat dvoumocné či pouze jednomocné kationty, tak o pozici atomů hliníku v kanálovém systému či jednotlivých lokálních strukturách zeolitické matrice.
Nedávno vyvinutá struktura zeolitu TNU-9 přitahuje velkou pozornost. Tento materiál má neobyčejně komplikovaný kanálový systém tvořený dvěma sítěmi trojrozměrných protínajících se kanálů. To je velmi atraktivní z hlediska vývoje katalyzátorů, protože takovýto kanálový systém minimalizuje možnost deaktivace katalyzátorů ucpáním kanálového systému uhlíkatými úsadami. Cenou za to je fakt, že se jedná o jeden z nejsložitějších zeolitů vůbec, vystavěný z 24 různých typů SiO4 a AlO4– tetraedrů. Vývoji katalyzátorů na bázi tohoto materiálu tak bránila neznalost uspořádání hliníkových atomů v jeho mřížce a kanálovém systému. Našemu týmu se podařilo výrazně přispět (jedná se o první studii) k analýze organizace hliníku v TNU-9. Byla popsána přítomnost izolovaných Al atomů a blízkých spolupracujících Al atomů, pro které se podařilo popsat jejich distribuci a lokalizaci v kanálovém systému a jednotlivých kruzích zeolitu.
https://doi.org/10.1002/chem.201605685
TNU-9 zeolite: Al distribution and extra-framework sites of divalent cations, R. Karcz, V. Pashkova, P. Klein, E. Tabor, S.R. Wittelton, H.M. Thomas, J. Dedecek, S. Sklenak, Chemistry – Eur. J., 23 (2017) 8857 – 8870.