Sylabus
Zeolity a mikroporézní anorganické materiály:
Mikroporézní materiályVýznam a použití zeolitů a mikroporézních materiálů.Definice základních pojmů, hlinitokřemičitany (přírodní a syntetické zeolity), mikroporézní materiály na bázi hlinitofosforečnanů, vrstevnaté jíly (pillared clays) a mesoporézní materiály (MCM-41, -48). Chemické složení.Základní stavební jednotky pro syntézu mikroporézních materiálů (primary building units, secondary building units), jejich vzájemné spojení v trojrozměrnou strukturu. Střídání jednotlivých prvků v mřížce (Loewensteinovo pravidlo).Přírodní zeolity - rozdělení do skupin na základě podobnosti struktury, základní vlastnosti, využití. Adsorpce na zeolitech. Kationy a jejich lokalizace v různých zeolitických strukturách.Vztahy mezi přírodními a syntetickými analogy, seznámení se základními strukturními typy (A, X, Y, FAU, MOR, ERI, vysokosilikátové MFI, MTW, MEL, TON, ..).
Syntetické zeolity (mikroporézní materiály na bázi hlinitokřemičitanů)Syntéza zeolitů (poměr Si/Al v reakční směsi, přítomnost OH-, anorganických kationtů, aniontů, vody, úloha organických templátů, čas, teplota, očkování, velikost krystalů). Úloha templátů při syntéze zeolitů. Zabudování dalších prvků do zeolitové mřížky, stabilita, vlastnosti. Chemie roztoků Fe a její vliv na syntézu zeolitů s Fe v mřížce. Molekulové modelování templátů pro přípravu nových zeolitických struktur.Syntéza velkých krystalů, urychlení syntézy, syntéza v kyselém prostředí (fluoridová metoda).Odstranění templátů, kalcinace, iontová výměna amonných nebo kovových iontů do kationtových pozic zeolitu. Kyselost zeolitů - síla kyselosti, počet aktivních center (závislost na atomech tvořících mřížku). Broenstedovská a Lewisovská centra. Důkaz úspěšného zabudování dalších prvků do mřížky zeolitu (XRD, NMR, FTIR).
Syntetické hlinitofosforečnanySyntéza hlinitofosforečnanů (poměr P/Al v reakční směsi, přítomnost OH-, anorganických kationtů, aniontů, vody, úloha organických templátů, čas, teplota, očkování, velikost krystalů). Úloha templátů při syntéze hlinitofosforečnanů, zabudování Si do krystalické mřížky, střídání Al - P - Si. Zabudování dalších prvků do hlinitofosforečnanové mřížky, stabilita, vlastnosti. Odlišnost struktur hlinitofosforečnanů od hlinitokřemičitanů. Syntéza AlPO materiálů v kyselém prostředí (fluoridová metoda).Kyselost hlinitofosforečnanů - síla kyselosti, počet aktivních center (závislost na atomech tvořících mřížku). Důkaz úspěšného zabudování dalších prvků do mřížky zeolitu (XRD, NMR, FTIR, UV-VIS).
Mezoporézní materiály z porézní vrstevnaté strukturyZeotypy (hlinitofosforečnany, gallofosforečnany), vrstevnaté sloučeniny (Pillared Layered Solids), mesoporézní molekulová síta (MCM, hexagonální vs. kubická). Syntéza, vlastnosti, použití v katalýze nebo jako nosiče pro katalyticky aktivní systémy.
Charakterizace struktury mezoporézních materiálůVyužití instrumentálních analytických technik ke stanovení krystalinity a struktury (XRD, FTIR, MAS NMR, SEM, sorpce plynů a organických molekul). Teoretické základy instrumentálních technik, přístrojové vybavení, experimentální možnosti, typy získaných informací. Nutnost kombinace experimentálních technik, omezení jednotlivých technik a jejich vzájemné doplňování. Charakterizace jednotlivých typů materiálů, lokalizace kationtů v mřížce nebo v kanálech daného strukturního typu zeolitu.
Experimentální metody v heterogenní katalýzeZpůsoby dávkování reaktantů v heterogenní katalýze (sytiče, lineární dávkovače, kondenzace produktů, dávkovací smyčky), analýza reakčních produktů ("off-line" a "on-line" analýza, plynová chromatografie, infračervená spektroskopie, NMR, MS), reakce s rychlou změnou koncentrací. Typy reaktorů, "in-situ" techniky, propojení katalytických aparatur s analytickou technikou, kombinace analytických metod (FTIR-GC, FTIR-MS, GC-MS).
Zeolity v organické syntézePřehled organické chemie na zeolitech, úloha struktury na průběh dané reakce a získání žádaných produktů (acido-basická katalýza, redox katalýza). Vztahy mezi strukturou daného zeolitu, jeho acido-basickými nebo redoxními vlastnostmi a průběhem dané reakce.
Modifikace zeolitůModifikace zeolitů pro zvýšení selektivity dané reakce, snížení deaktivace. Lokalizace aktivních center na vnějších vs. vnitřním povrchu, blokování neselektivních center. Tvorba organometalických katalyticky aktivních center v kanálové struktuře zeolitů.
Určování mechanismu organických reakcí na zeolitechVhodná volba experimentu, rozvaha postupu experimentu, využití experimentálních technik při určování mechanismu organických reakcí. Značkované sloučeniny, použití isotopů k prokázání daného mechanismu. Volba vhodné experimentální metody (FTIR, 13C MAS NMR, GC-MS). Tvorba meziproduktů.
Průmyslové využití zeolitůKatalytické procesy založené na využití zeolitů.
Speciální aplikaceSyntéza zeolitů na površích kovů, porézích materiálů, celulosy, teflonu, zeolitické membrány.
Anotace
Cílem toho předmětu pro doktorandy je seznámit se základními principy syntézy zeolitů molekulových sít, jejich strukturami a vlastnostmi. V návaznosti jsou diskutovány současné aplikace zeolitů a možné budoucí praktické využití.