Stałe katalizatory, często materiały w nanoskali, są sercem wielu technologii. Dzięki swojej unikalnej strukturze odgrywają kluczową rolę w przyspieszaniu reakcji chemicznych, co jest niezbędne w procesach przemysłowych, takich jak produkcja paliw, chemikaliów, leków oraz w ochronie środowiska. Możliwość precyzyjnego projektowania ich struktury molekularnej pozwala na dostosowanie katalizatorów do specyficznych reakcji, co prowadzi do bardziej zrównoważonych i ekonomicznych procesów technologicznych.
W najnowszym artykule zespołu z Katedry Inżynierii Molekularnej „Classical Concept of Semiconductor Heterojunctions in the Approach to Nanohybrid Catalysts” (J. Tyczkowski i H. Kierzkowska-Pawlak) autorzy zgłębili tajniki katalizatorów nanohybrydowych - katalizatorów złożonych z nanocząstek lub nanowarstw o odmiennej strukturze molekularnej. W pracy wyjaśniono rolę oddziaływań elektronowych w takich nanoukładach, często określanych enigmatycznie jako „synergia”, które decydują o ich katalitycznej aktywności w procesach termochemicznej konwersji. To nowe podejście do "alchemii" katalizatorów pokazuje, że tworzenie heterozłączy, czyli obszarów wypełnionych ładunkiem elektrycznym przy granicy kontaktu między nanocząstkami lub nanowarstwami, może obejmować całą ich objętość, znacząco wpływając na właściwości katalityczne.
Weźmy na przykład dwa odmienne materiały półprzewodnikowe: tlenek kobaltu i tlenek żelaza. Nanocząstki tlenku kobaltu są bardzo aktywne w tworzeniu metanu z dwutlenku węgla i wodoru, a nanocząstki tlenku żelaza działają znacznie słabiej. Jeśli jednak stworzymy nanohybrydę tych dwóch tlenków, będzie ona katalizować reakcję dwutlenku węgla i wodoru do tlenku węgla, który - podobnie jak metan - jest użytecznym substratem przemysłowym. W utworzonej nanohybrydzie nanocząstki tlenku kobaltu wypełnione są ładunkiem dodatnim, podczas gdy nanocząstki tlenku żelaza są naładowane ujemnie, co odwołując się do teorii centrów aktywnych, wyjaśnia zmianę wydajności katalitycznej.
Abstrakt graficzny: Zimna plazma jako narzędzie do syntezy katalizatorów nanohybrydowych. Kluczowe odkrycie - złączone nanocząstki dwóch półprzewodników (nanohybryda) są wypełnione ładunkami elektrycznymi, w wyniku czego zachowują się zupełnie inaczej w kontakcie z reagentami niż izolowane nanocząstki. Źródło: ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 29, 37339–37345.
Dzięki głębszemu zrozumieniu interakcji między różnymi półprzewodnikami oraz towarzyszącym im zjawisku przeniesienia ładunku po obu stronach złącza, łatwiejsze będzie sterowanie właściwościami katalitycznymi takich układów i opracowywanie nowych, bardziej wydajnych katalizatorów dla szerokiego spektrum zastosowań przemysłowych, takich jak uwodornienie CO₂, konwertery katalityczne czy konwersja biomasy.
Nowe podejście naukowców z PŁ do nanohybrydowych katalizatorów zostało opisane na zamówienie i opublikowane jako "Perspective" w czasopiśmie "ACS Applied Materials & Interfaces". Znalazło się też na okładce tego czasopisma. Choć zaproponowana koncepcja wciąż znajduje się na wczesnym etapie badań, może ona mieć ogromny wpływ na opracowanie skuteczniejszych katalizatorów nanohybrydowych dostosowanych do konkretnych potrzeb - wyjaśniają autorzy. Badania podstawowe w tym obszarze realizowane w Katedrze Inżynierii Molekularnej prowadzi również mgr inż. Bartosz Panek (doktorant ISD PŁ), a uzyskiwane wyniki są bardzo obiecujące.
Warto dodać, że zespół Katedry Inżynierii Molekularnej opracował już jakiś czas temu efektywną metodę wytwarzania katalizatorów nanohybrydowych, opartą na depozycji cienkich warstw w zimnej plazmie. Dotychczasowe badania całego zespołu wykazały, że technika plazmowa umożliwia projektowanie zarówno struktury molekularnej, jak i nanostruktury katalizatorów cienkowarstwowych na bazie tanich i dostępnych metali przejściowych, takich jak żelazo, nikiel czy kobalt. Wytwarzane w ten sposób cienkie warstwy można nanosić na dowolne podłoża, na przykład w postaci drobnej siatki, co pozwala na tworzenie wyrafinowanych wypełnień katalitycznych o ściśle zaprojektowanej geometrii. Ma to ogromne znaczenie dla wydajnej realizacji procesu w skali przemysłowej.
Wyniki przedstawione w omawianym artykule dla materiałów nanohybrydowych potwierdzają istotną rolę elektronowych oddziaływań międzyfazowych, jaką pełnią one w sterowaniu aktywnością katalityczną oraz selektywnością w wybranych procesach termochemicznej konwersji CO₂. Istnieje jednak już uzasadniona nadzieja na znacznie bardziej globalną możliwość zastosowania przedstawionej koncepcji i jej urzeczywistnienia w wielu innych procesach katalizy termochemicznej.
Profesor w Katedrze Inżynierii Molekularnej PŁ.
Profesor w Katedrze Inżynierii Molekularnej PŁ.