Sylabus
1) Úvod do katalýzy Obecný úvod do katalýzy a vymezení oblasti, které se předmět věnuje: Cíle a záběr kurzu. Stručná historie katalýzy – Nobelovy ceny v katalýze Definice katalytické reakce - klasická (snížení akt. energie pomocí změny mechanismu) i teoretická (přesun reakce na jinou hyperplochu potenciální energie). Základní pochody při katalytických reakcích (fyzikální a chemické kroky); obecný mechanismus; 7 kroků heterogenně katalyzované reakce. Termodynamický aspekt katalýzy – katalyzátor neovlivní rovnováhu a proč. Teplotní vlivy na katalyzované reakce. Základní pojmy v katalýze: aktivační energie, Arrheniova rovnice, reakční koordináta, předpoklad kvazi-stacionárního stavu a kvazi-stacionární stav, konverze, selektivita, TOF, TON, úvodní reakční rychlost, stabilita, environmentální faktor a kde se tyto pojmy uplatní. Definice+příklady homogenní, heterogenní, enzymatická, fotokatalýza, elekrokatalýza. „Kurs se bude věnovat těmto dílčím oblastem s ohledem na jejich význam“. Současné výzvy v katalýze; přechod k zeleným technologiím a obnovitelným zdrojům
2) Kinetika a termodynamika katalyzovaných reakcí Rychlost určující krok, kinetické vs. difuzní řízení reakce, obecné podmínky pro dosažení kinetického režimu. Difuze v katalyzátoru + definice a klasifikace pórů. Úloha adsorpce v katalytické reakci, fyzikální adsorpce, chemisorpce (sila adsorpce a jeji mereni), izostericke teplo adsorpce, adsorpční a aktivní centrum, adsorpční isotermy (Henryho, Langmuirova, Freundlichova isoterma, BET). Základní představy o mechanismech heterogenně katalytických reakcí (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen). Langmuir-Hinshelwood - Ukázky, odvození jednoduchých kinetických rovnic pro základní typy těchto reakcí. Časové závislosti složení produktů pro různé typy reakcí. Thieleho modul a efektivita využití katalyzátoru.
3) Heterogenní katalýza Typy heterogenní katalyzátorů; složky katalyzátoru: aktivní fáze – nosič – pojivo - aktivátor Nano – mikro – makro – měřítko reálného katalyzátoru Aktivní centra v heterogenních katalyzátorech Zeolity – struktura: základní stavební jednotky, systém pórů, atlas zeolitů; syntéza: hydrotermální syntéza, úloha templátu, mineralizační činidla (OH vs. F); povaha aktivních center: chemické složení zeolitů, kyselá centra; Bronstedovská a Lewisovská kyselost, iontoměničové vlastnosti, redoxní centra; příklady využití. Oxidické a sulfidické katalyzátory Raney kovy Nosičové kovové katalyzátory – struktura: proč nosič? Bifunkční katalyzátory – synergie nosiče a kovu, kovy v zeolitech, enkapsulace kovových nanočástic, kyselé+redox katalyzátory.
4) Homogenní katalýza (organocatalysis) Obecné přístupy, pojmy TON a životnost katalyzátoru Vybrané typy homogenních katalyzátorů – kyseliny, organometalické komplexy, chirální komplexy Příklady využití s diskusí struktury katalyzátoru: asymetrická hydrogenace, BINAP + úloha ligandů v OM komplexech Hydroformylace Ziegler-Natta katalyzátory, polymerace propylenu Heterogenizace homogenních katalyzátorů: funkcionalizace katalytických nosičů, modifikace křemičitanových nosičů např. metalloceny (nejen) pro polymerizační reakce; 2-fazova katalýza
5) Enzymatická katalýza, foto a elektrokatalýza Obecný přístup, TON a lifetime v enzymatické katalýze. Michaelisovská kinetika a obecný mechanismus enzymatických reakcí. Praktické použití enzymů: Izomerizace cukrů s pomocí enzymů, imobilizace enzymu - enkapsulace Inhibice enzymatických reakcí
6) Syntéza katalyzátorů + Charakterizace Laboratorní měřítko – poloprovoz – průmyslová syntéza Suroviny pro syntézu – rozdíl: laboratoř vs. skutečný proces Metoda studia katalyzátorů: Rentgenová difrakční analýza Mikroskopie MAS NMR EXAFS/XANES Infračervená spektroskopie Chemická analýza Adsorpční techniky
7) Katalytický experiment + Charakterizace Co je cílem katalytického testu Výzkumný vs. průmyslový katalyzátor Základní představy o laboratorním katalytickém experimentu, schema aparatur, metodika přípravy experimentu, reaktory, sytiče, lineární dávkovače, dávkovací systémy Základní typy reaktorů – parametry – délka a výška lože, velikost částic Testy práce v kinetické vs. difuzní oblasti Dezaktivace katalyzátorů Metoda studia katalytických reakcí: Chromatografie Infračervená spektroskopie Hmotnostní spektrometrie In-situ a Operando přístupy
8) Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma
Anotace
Současný svět stojí z velké části na produktech chemického průmyslu a přibližně 85-90% všech chemických procesů je katalyzováno nějakým typem heterogenního nebo homogenního katalyzátoru. Cílem kurzu je seznámit studenty se základními principy katalýzy. Důraz je kladen zejména na pochopení funkce katalyzátoru a jeho chování v katalytických reakcích, možnosti přípravy, mechanismy katalytických reakcí a využití experimentálních technik ke studiu katalyzátorů a průběhu katalytických reakcí. Vlastní přednášky (průměrně 2 hodiny týdně) budou doplněny cvičeními nebo experimentálními úkoly (průměrně 1 hodina týdně).
Kurs předpokládá obecné znalosti z anorganické, organické a fyzikální chemie. Na kurs navazuje předmět Praktická katalýza.
Po dobu nařízené distanční výuky bude předmět realizován formou přednášek prostřednictvím služby Zoom. Cvičení budou probíhat v prostředí služby google classroom/google meet.