Jedenáct tun přístrojů pro nanokatalyzátory

Bylo třeba vybourat okno a stěnu laboratoře ve třetím patře budovy Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, aby dovnitř mohl 350tunový jeřáb vsunout unikátní přístroje, které mají produkovat částice menší než miliontina tloušťky lidského vlasu.

Za svého působení v USA vyvinul a sestavil tyto přístroje jeden z průkopníků nového oboru zvaného nanokatalýza Štefan Vajda. Nyní je s sebou přivezl do Prahy, aby zde rozvinul výzkum katalytických vlastností kovových částic o rozměrech pod jeden nanometr.

Sedm kompletních laboratorních sestav, dvě velké aparatury na syntézu nanočástic a pět speciálních aparatur na testování jejich katalytických vlastností bylo bezpečně usazeno na své místo. Jejich vývoj zabral více než 10 let a pro převoz z USA se musely rozebrat, protože byly tak objemné a těžké, že by se nevešly do žádného standardního letadla. Nyní se tedy budou postupně sestavovat, zapojovat a uvádět do provozu.

ERA Chair
Štefan Vajda s nimi přichází do Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR díky tomu, že toto pracoviště loni získalo významný evropský grant ERA Chair. Umožnit má danému pracovišti přilákat vynikající odborníky, kteří pomohou rozvinout příslušnou výzkumnou oblast na světovou úroveň. S využitím 2,5 milionů eur z tohoto grantu tak může vzniknout nové oddělení nanokatalýzy. Štefan Vajda vyhrál v náročné konkurenci vědců z různých zemí světa výběrové řízení na pozici jeho vedoucího. Zkoumat bude katalytické vlastnosti kovových částic menších než jeden nanometr a jejich souborů, tzv. klastrů.

Co je nanokatalýza
Předpona nano- před slovem katalýza znamená, že částice, které ovlivňují chod chemických reakcí, mají velikost v řádu nanometrů, což je miliontina milimetru. „Pokud se vyrobí takto malé částice, jsou silně reaktivní a mohou mít velice speciální, jedinečné vlastnosti, které velké částice nemají. Nanokatalýza tedy znamená katalytické procesy řízené částicemi o velikosti nanometru – a naše částice jsou vlastně ještě menší, subnanometrické,“ objasňuje Štefan Vajda.

Proces jejich vytváření přirovnává k hroznu vína s rozmanitým počtem kuliček: „Katalyzátorové částice sestavujeme atom po atomu – některé mohou obsahovat dva atomy, jiné deset nebo dvacet. Také můžeme volit složení (jestli budou z atomů jednoho kovu nebo dvou) a poměr částic.“ Tímto způsobem mohou vědci velice přesně kontrolovat chemické vlastnosti svých nanokatalyzátorů.

Štefan Vajda se za svého působení v americké Argonne National Laboratory zaměřil na základní studia katalytických vlastností klastrů za realistických reakčních podmínek. Vyvíjel jednak nové metody syntézy potřebných částic, jednak postupy pro jejich testování a charakterizaci za provozních podmínek, tedy při vysokých teplotách a tlaku.

Ředitel Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR Martin Hof věří, že nový obor nanokatalýzy naváže na dosavadní aktivity jeho ústavu a náležitě je rozšíří: „Nanokatalýza je obor, který v našem ústavu ještě tak silný není, máme ale spoustu oborů, které jsou jí velice blízko.“ Poukazuje mj. na dlouhodobě výborné výsledky svého pracoviště v oblasti chemické katalýzy, které mohou být velmi užitečné i pro nanokatalýzu. Nanočástice pro ni též potřebují vždy nějakou podložku, substrát – a s vývojem těchto materiálů mají v ústavu také velké zkušenosti. A nejen to: „Štefan Vajda se zabývá výzkumem, který se musí opírat i o teorii. Rovněž v tomto ohledu je náš ústav tradičně silný – například musíme umět předvídat, jak se chovají atomy a molekuly,“ dodává Martin Hof.

Vysoký výkon a selektivita   
Kovové částice menší než jeden nanometr, jejichž studiem se bude oddělení Štefana Vajdy zabývat, mohou mít unikátní katalytické vlastnosti. Mimo jiné dokážou výrazně urychlit chemické reakce. Badatelé však v současnosti usilují především o to, aby jejich katalyzátory měly vysokou selektivitu.

Jinak řečeno: pokud mohou být výsledkem chemické reakce s výchozí molekulou A produkty B, C a D, chtějí, aby jejich katalyzátor vyrobil pouze jeden požadovaný produkt. Tedy aby byl vysoce selektivní. „Měníme vlastnosti částic atom po atomu, aby jejich výkon nebo jejich selektivita k žádanému produktu byly co nejvyšší,“ říká Štefan Vajda. Pokud chtějí fyzikální chemikové získat přesně definované velikosti a složení částic pro požadované reakce, musí pracovat s atomárně precizně syntetizovanými látkami: „Což se nedá dosáhnout žádnou jinou metodou – ani chemickou, ani fyzikální, jen tou naší, pomocí ultravakuové techniky.“

Nanokatalyzátory pro praxi
Cílem nového oddělení nanokatalýzy je poznat a popsat funkce nových katalyzátorů v mnoha procesech včetně těch, které se uplatní v průmyslu nebo při ochraně životního prostředí. Štefan Vajda zmiňuje jako příklad přeměnu CO2 z ovzduší: „Máme výsledky, které ukazují, že ho pomocí našich speciálních klastrů můžeme velice účinně přeměnit třeba na metanol, což je pohonná hmota, nebo na metan a podobně.“

Touto cestou lze odstranit i oxid uhelnatý z výfukových plynů či zjednodušit syntéza různých látek. Výsledkem mohou být též levnější katalyzátory atd. „Máme v plánu zkoumat také interakce malých klastrů s biomolekulami a doufáme, že z našeho základního výzkumu budou vyrůstat další návazné projekty,“ podotýká Štefan Vajda. Zároveň vyzdvihuje velkou pozornost věnovanou bezpečnosti. „U látek, s nimiž pracujeme, se nanočástice vážou velice silně na svůj podklad, takže nehrozí jejich přenos vzduchem nebo jiná kontaminace.“

Ředitel Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR Martin Hof poukazuje ještě na jeden významný aspekt nového oddělení nanokatalýzy a jeho vedoucího: „Jeho silnou stránkou je systematické hledání cesty na základě znalostí z fyzikální chemie a materiální chemie.“

Video naleznete zde.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ Akademie věd ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ Akademie věd ČR