Sciencemag.cz
Doporučujeme
Atomy mědi na povrchu grafenu mají rekordní účinnost v urychlení chemických reakcí. Spojení výhod kapalných a pevných katalyzátorů.
Unikátní metodu, díky níž lze urychlit celou řadu chemických reakcí například v potravinářském, chemickém či farmaceutickém průmyslu, vyvinuli vědci z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci ve spolupráci s italskými kolegy z Terstské univerzity. Jako urychlovače chemických reakcí, tzv. katalyzátory, nově využili jednotlivé atomy kovů, které pevně ukotvili na uhlíkový materiál na bázi grafenu. Tyto atomy urychlují mnohé chemické reakce s mimořádnou účinností, a to i při opakovaném užití. Na rozdíl od klasických pevných katalyzátorů umožňuje nová metoda využít všechny atomy pro zvýšení výtěžnosti reakce, čímž se výrazně snižuje potřebné množství kovů a celkové výrobní náklady. Práci nedávno publikoval prestižní časopis Advanced Materials, jeden ze tří nejvýznamnějších světových časopisů v oblasti materiálového výzkumu.
Katalytické reakce se odehrávají všude kolem nás a probíhají i 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, kyseliny dusičné a mnoha další látek. Kovové katalyzátory jsou v průmyslových výrobách velmi populární, neboť je lze snadno separovat z produkční směsi a znovu použít. Oproti kapalným katalyzátorům jsou však většinou méně účinné, což je dáno zejména 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 dané 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 řady farmaceuticky významných substancí,“ uvedl ředitel RCPTM Radek Zbořil, který je ideovým původcem celého konceptu.
S rozvojem nanotechnologií a zmenšením rozměrů kovových katalyzátorů se jejich účinnost dramaticky zvýšila, neboť nanomateriály mají obecně větší počet atomů na svém povrchu, a mohou tak 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. Obrovskou výhodou této nové technologie je zapojení všech kovových atomů do katalytického děje. Z toho samozřejmě plyne i menší množství katalyzátoru, které je pro reakci zapotřebí. Navíc atomy kovu navázané na grafen vykazují vynikající účinnost, kterou neztrácejí ani po opakovaném použití katalyzátoru,“ doplnil Zbořil.
Možnost pevného ukotvení jednotlivých atomů a jejich následné využití v katalýze byla pro vědce až donedávna atraktivní, leč iluzorní představa. „Většina doposud vyvinutých přístupů nedovoluje dostatečně pevné ukotvení atomů, a dochází tak k jejich uvolnění v průběhu reakce nebo při opakovaném použití. Technologie vyvinutá v Olomouci je zcela 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,“ řekl Paolo Fornasiero z Terstské univerzity, který má s vývojem a aplikacemi nových typů katalyzátorů bohaté zkušenosti.
Podle Aristidese Bakandritsose z RCPTM příprava katalyzátoru nevyžaduje náročné syntetické podmínky. „Chemické navázání atomů se děje při pokojové teplotě. Výchozí materiál pro výrobu grafenového substrátu je grafit fluorid, průmyslový lubrikant dostupný v tunách, takže převod výroby do většího měřítka je poměrně dobře proveditelný. Umíme na grafen pevně ukotvit atomy dalších kovů, jako je zlato, platina, železo, kobalt nebo nikl. Již nyní máme výborné výsledky například v elektrokatalytických reakcích směřujících k získávání alternativních zdrojů energie. Zde využíváme kombinace výborné vodivosti grafenu a vysoké účinnosti ukotvených atomových kovových katalyzátorů,“ prozradil.
Nedávné pokroky v chemii grafenu vedly k vývoji řady unikátních materiálů a technologií v laboratořích RCPTM včetně přípravy uhlíkových magnetů, dvoudimenzionální karboxylové kyseliny, vysoce účinných olejových sorbentů nebo nejmenších kovových magnetů.
