Nanostrukturní materiály pro katalýzu a ochranu životního prostředí

Materiály pro aktivaci kyslíku a oxidaci metanu na metanol

Materiály pro aktivaci kyslíku a oxidaci metanu na metanol
Materiály pro aktivaci kyslíku a oxidaci metanu na metanol

Metan ze zemního plynu představuje velmi dostupný zdroj uhlovodíků. Jeho využití je ale omezeno, protože není zvládnuta jeho přeměnai na kapalné produkty. Ty představují jak možnou náhradu ropy, tak i cestu, jak se vypořádat s hlavními nevýhodami zemního plynu – jeho komplikovanou dopravou a skladováním, a možnými úniky do ovzduší. Spalování plynu je sice doprovázeno polovičními emisemi CO2, ale metan má silný skleníkový efekt a tak i malé úniky metanu mohou zcela potlačit efekt snížení emisí CO2. Možným řešením je selektivní oxidace metanu na metanol, který je jak možné palivo, tak základna pro řadu chemických výrob.

Problémem oxidace metanu na metanol je to, že molekula metanu je málo reaktivní. Teplota nutná k její reakci s kyslíkem je značně vyšší než ta nutná pro oxidaci metanolu proto dochází ke spálení metanu až na CO2. Klíčem pro syntézu metanolu je proto oxidace metanu za tak nízké teploty že nedojde k jeho další oxidaci. Týmu ÚFCH JH se nedávno podařilo dosáhnout výrazného průlomu v této oblasti. Vyvinul binukleární kationtová centra stabilizovaná v zeolitických matricích která rozkládají molekulární kyslík na dva atomární kyslíky. Tyto atomární kyslíky za nízké teploty oxidujít metan na metanol s takovou aktivitou, že hodinová produkce metanolu je u námi navržených materiálů až stonásobná oproti dosud nejlepším dosaženým výsledkům. Přesto tento průlom je k reálné aplikaci ještě daleko a je třeba připravit ještě aktivnější katalyzátory pracující za podmínek vhodných pro aplikaci.

Náš tým ve vývoji takovýchto aktivnějších a stabilních materiálů výrazně pokročil. Podařilo se nám ukázat, že v aktivaci kyslíku nejsou aktivní jen kationty železa, ale i jiné dvoumocné kationty (Co, Mn, Ni). Zároveň se pomocí kvantově chemických výpočtů podařilo ukázat, že centra pro aktivaci kyslíku je možné připravit i v jiných zeolitických matricích, nejen v zeolitu typu ferrierit a byly nalezeny parametry, jaké musí zeolit splňovat, aby v něm bylo možné připravit aktivní centra. Kombinace různých typů kationtů s různými matricemi otvírá cestu přípravy stabilních a dostatečně aktivních katalyzátorů pro vývoj reálné technologie.

Splitting dioxygen over distant binuclear Fe sites in zeolites. Effect of the local arrangement and framework topology, E. Tabor, M. Lemishka, J. E. Olszowka, K. Mlekodaj, J. Dedecek, P. C. Andrikopoulos, S. Sklenak, ACS Catal. 11 (2021) 2340-2355.

Splitting dioxygen over distant binuclear transition metal cationic sites in zeolites. Effect of the transition metal cation, J. Dedecek, E. Tabor, P. C. Andrikopoulos, S. Sklenak, Int. J. Quant. Chem., 121 (2021) Article Number: e26611.

Room temperature dioxygen splitting over binuclear transition metal ions structure in zeolites for direct methane to methanol oxidation, K. Mlekodaj, M. Lemishka, S. Sklenak, J. Dedecek, E. Tabor, Chem. Commun., 57 (2021) 3472-3475.