Oxidační atmosféra prodlouží život 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