Naše civilizace je doposud založena na využití ropy jako klíčového zdroje energie a surovin pro výrobu. Na druhou stranu, zpracování ropy a její využívání je spojeno se značnými riziky pro životní prostředí. Nedávné zavedení těžby břidličného zemního plynu představuje dramatickou změnu v oblasti zdrojů uhlovodíků. Těžitelné zásoby zemního plynu výrazně narostly a zemní plyn nyní představuje velmi dostupný zdroj uhlovodíků, který by mohl do značné míry nahradit ropu. To je ale zatím omezeno tím, že se dosud nepodařilo zvládnout transformaci metanu na kapalné produkty. Dominantním způsobem zatím zůstává využití zemního plynu na výrobu energie spalováním, necelých 10 % slouží k výrobě vodíku pro syntézu čpavku jako klíčové suroviny pro výrobu hnojiv a pouze asi 1 % metanu je v současnosti využíváno k syntéze kapalných produktů.
Tato syntéza ale probíhá nepřímo klasickým procesem Fischer-Tropsch (u nás dobře známým z jeho historického použití pro výrobu benzínu z uhlí v Záluží u Mostu), který je velmi náročný jak technologicky, tak energeticky. Nejprve je totiž metan vodním reformingem převeden na oxid uhelnatý a vodík, které jsou pak použity k syntéze kapalných produktů. Velmi intenzivní výzkum je proto soustředěn na možnost přímé přeměny metanu na kapalné produkty. Jako nejvodnější se v této oblasti jeví selektivní oxidace metanu na metanol, který představuje jak možné palivo, tak možnou základnu pro řadu chemických výrob.
Jednou ze dvou v současnosti intenzivně sudovaných možností selektivní oxidace metanu na metanol představuje oxidace pomocí tzv. alfa-kyslíku, který lze připravit rozkladem N2O na izolovaném kationtu Fe(II), který je stabilizován v alumosilikátové zeolitické matrici. Dochází tak ke vzniku vysoce aktivního Fe(IV)=O podobně jako v některých enzymech. Problémem tohoto katalyzátoru je ale potřeba jeho vysokoteplotního opracování během přípravy (přes 700 °C), labilita Fe(II) kationtů během přípravy a reakce a možnost připravit pouze malé množství aktivního Fe(II) v matrici katalyzátoru.
Našemu týmu se podařilo vyvinout katalyzátor na bázi zeolitu typu ferrierit, který jako aktivní centrum využívá binukleární struktury páru dvou kationtů Fe(II), Co(II) a Ni(II) v blízké vzdálenosti proti sobě, která tak mohou spolupracovat na rozkladu N2O za vzniku různých typů alfa-kyslíku s kyslíkem vázaným nejen na Fe(IV), ale i Co(IV) a Ni(IV) ionty. Vytvoření této struktury bylo umožněno kombinací specifické geometrie krystalové mřížky tohoto zeolitu s námi již dříve zvládnutou kontrolou organizace skeletálního hliníku v mřížce. Hliníkové atomy v křemičitanové mřížce nesou negativní náboj, který je schopný stabilizovat kationt. V případě vytváření binukleárních struktur je ale potřeba zajistit spolupráci čtyř atomů hliníku ve dvou protilehlých kruzích.
Spolupráce dvou kationtů přechodových kovů vede k výraznému snížení teploty nutné pro rozklad N2O, katalyzátor je aktivní i za pokojové teploty na místo při 200 °C. Zároveň je možné ladit vlastnosti alfa-kyslíku vzhledem k požadavkům oxidační reakce, katalyzátor je stabilní, odpadá potřeba vysokoteplotní přípravy a je možné připravit katalyzátor s výrazně vyšší koncentrací aktivní složky a tedy s výrazně vyšší katalytickou aktivitou v oxidaci metanu na metanol.
Low-temperature selective oxidation of methane over distant binuclear cationic centers in zeolites, E. Tabor, M. Lemishka, Z. Sobalik, K. Mlekodaj, Prokopis C. Andrikopoulous, J. Dedecek, S. Sklenak, Communications Chemistry, in press.