Sylabus
1. Úvod do heterogenní katalýzy Obecný úvod do katalýzy a vymezení oblasti, které se předmět věnuje. Chemická kinetika - rychlostní rovnice, řád reakce, molekularita reakce; elementární reakce, reakce monomolekulární, bimolekulární, následné, zpětné. Základní pojmy v katalýze a fyzikálně chemická podstata katalýzy , aktivační energie, Arrheniova rovnice, srážková teorie, teorie aktivovaného komplexu, reakční koordináta, konverze, selektivita, výtěžek Typy heterogenních katalyzátorů (reprezentativní přehled – kyselé, bazické (zeolity), kovové katalyzátory (Raney kovy), kovové nosičové katalyzátory, heteropolykyseliny. Výzkumný vs. Průmyslový katalyzátor. Návrh katalyzátoru.
2. Kinetika heterogenně katalytických reakcí Základní pochody při heterogenně katalytických reakcích (fyzikální a chemické kroky), rychlost určující krok reakce, úloha adsorpce v katalytické reakci, fyzikální adsorpce, chemisorpce, adsorpční a aktivní centrum, adsorpční isotermy (Langmuirova isoterma, Freundlichova isoterma, BET) Základní představy o mechanismech heterogenně katalytických reakcí (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen). Ukázky, odvození jednoduchých kinetických rovnic pro základní typy těchto reakcí. Časové závislosti složení produktů pro různé typy reakcí. Difuze v reálném katalyzátoru, Thieleho modul a efektivita využití katalyzátoru.
3. Příprava a struktura vybraných typů katalyzátorů Syntéza a modifikace katalyzátorů, hydrotermální syntéza zeolitů a úloha organických templátů při hledání nových strukturních typů zeolitů. Příprava kovových katalyzátorů. Funkcionalizace katalytických nosičů, modifikace křemičitanových nosičů např. metalloceny (nejen) pro polymerizační reakce.
4. Aktivní centrum Možnosti aktivace molekul Kyselost a její charakterizace, Broenstedovská a Lewisovská kyselost, vliv kyselosti a typu center na průběh acidobazických reakcí, superkyseliny, tvrdost a měkkost kyselin. Redox centra - základní představy a reakčních mechanismech při oxidační katalýze (radikálové reakce, Mars-van Krevelen, peroxy skupiny). Aktivní centra v metalocenech nejen pro polymerace.
5. Charakterizace katalyzátorů s použitím instrumentálních technik Základní experimentální metody a jejich použití v heterogenní katalýze: Studium pevné fáze - XRD, MAS NMR, FTIR, mikroskopie, povrchové techniky, sorpční měření, kalorimetrie (kombinace technik - XRD-kalorimetrie), "in-situ" techniky, TPR, TPD
6. Katalytický test - experimentální vybavení, provedení testu, hodnocení Základní představy o katalytickém experimentu, rozvaha katalytického experimentu, schema aparatur, metodika přípravy experimentu, reaktory, kinetická a difuzní oblast, sytiče, lineární dávkovače, dávkovací systémy. Dezaktivace katalyzátorů
7. Kyselá a bazická katalýza, katalýza na molekulových sítech Příklady důležitých heterogenně katalytických procesů v acidobazické katalýze, vysvětlení reakčních mechanismů,Vysvětlení základních pojmů z basické katalýzy, reakční mechanismy, typy reakcí. Odlišnost od reakcí katalyzovaných kyselinami. Objasnění základních vztahů mezi strukturou, vlastnostmi a katalytickým chováním zeolitických molekulových sít v kyselé, basické a redox katalýze. Tvarová selektivita. Case study: izomerace a alkylace aromatických uhlovodíků
8. Redox katalýza Základní mechanistické představy o oxidaci různých typů organických molekul pomocí kyslíku nebo organických peroxidů, úloha reakčního prostoru a typu oxidačního činidla. Case study: Selektivní oxidace na titanosilikátech.
9. Katalýza na kovech a oxidech Základní představy o metodách ke studiu povrchu kovů a oxidů, příklady katalýzy na kovech, oxidech kovů, na kovech na nosičích. Case study: Katalytická hydrogenace
10. Průmyslové procesy FCC, SCR, NH3, HDS
11. Vybrané kapitoly z oblasti homogenní a enzymatické katalýzy. Hydroformylace, asymetrická hydrogenace, izomerace cukrů s pomocí enzymů, Michaelisovská kinetika.
12. Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma (může být zařazena kdykoliv po absolvování úvodních 5-ti přednášek)
Anotace
Moderní svět v současné době stojí z velké části na produktech chemického průmyslu a podle současných odhadů je přibližně 85% všech chemických procesů katalyzováno nějakým typem heterogenního katalyzátoru. Proto je cílem kurzu seznámit studenty se základními informacemi o katalýze jako takové a o využití heterogenních katalyzátorů v laboratoři a v průmyslu.
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.