Felülettudomány a heterogén katalízisben és a csillagászatban

Felülettudomány a heterogén katalízisben és a csillagászatban

Az ipari eljárások igen jelentős része (80 %) alapul valamilyen heterogén katalitikus reakción. Ezen, szilárdtestek felületén lejátszódó folyamatok számos esetben jól kidolgozottak (szénhidrogének konverziója, methanol előállítás, ammónia gyártás, stb.), ugyanakkor főleg a melléktermékek keletkezése vagy a magas energiaigény szempontjából még javíthatók. Főként a gyógyszer ipari alkalmazások esetén igen fontos a 100%-os tisztaságot megközelítő előállítás, de kívánatos eddig ismeretlen katalitikus eljárások tervezhető kidolgozása is.

A felülettudományi kutatások szerepe a heterogén katalízis szempontjá-ból főként az, hogy felületérzé-keny módszerek kifejlesztésével és alkalmazásával a heterogén ka-talitikus folyamatok elemi lépéseit megismerjük.

Polikristályos oxidhordozós katalizátor

A hordozó oxid átlagos szemcsemérete a 0.1-1 m nagyságrendbe esik, a hordozott fémrészecskék ennél kb. két nagyságrenddel kisebbek, méretük 1-10 nm..

400 nm x 400 nm

Speciális módszerrel előállított

kétdimenziós modell katalizátor

2D-MK

Rh / TiO2(110) STM felvétel

HREM felvétel

Autó kipufogó katalizátorok szerkezete

NO

CO

átalakítása

káros

szénhidrogének

keletkezése

nélkül

Al2 O3 habkő

Rh, Pt CeO2 ZrO2

A felülettudomány fontos hídat képez az elméleti kémia és a ipari gyakorlat között, bár még van mit javítani ebben a kapcsolatban.

A valós rendszerek komplex tulajdon-ságainak megismerése mind kísérleti, mind elméleti eszközökkel egyre inkább megközelíthető:

atomról –atomra definiált komplex anyagi modellrendszerek (például kétdimenziós modellkatalizátorok)

nagy atomszámot és kölcsön-hatást tartalmazó elméleti modellek, ab initio módszerekkel megtámogatott robosztus Monte Carlo szimulációk

A felületi változások szempontjából fontos elemi lépések, amelyeket a felületi szerkezet különböző konfigurációja mellett kell ismernünk és lehetőleg pontosan elméletileg is leírnunk.

Nagyon fontos az időskála (femtosec-mikrosec) mivel a különböző folyamatok sebességi állandója 5-10 nagyságrenddel is eltérhet. Ezt az MC szimulációkban dinamikus időskálázással lehet megoldani

Kémiai kötés a felületen

A felület-molekula kölcsönhatás alapve-tően lokális.

Jó analógia állítható fel a szerves fém-komplexek és a felületi adszor-beátumok között.

A már korábbam molekulákra alkal-mazott spektroszkópiai módszerek (IR, Raman) alkalmazhatósága felületi adszorbeátumokra.

Jól definiált felületi adszorpciós centru-mok és formák léte

(CO top – 1 pontos, bridge - 2 pontos, hollow - 3 pontos).

Felületi energetika: az adszorpció valószínűsége és erőssége

Nem csupán az adott adszorpciós centrum számít, hanem annak közvetlen környezete („spectator” molekula fontossága, a preadszor-beált molekulák rendezettsége is számít).

Kísérletileg alkalmazható számos spekt-roszkópiai módszer, amely lehető-vé teszi a borítottság, ily módon az adszorpciós (deszorpciós) kinetika „in situ” követését.

Molekula sugár („molecular beam”) módszerekkel különösen jó szimu-lálható kísérletileg a különböző energia-komponensű részecskék reakcióképessége.

(„pressure gap”)

Felületi átmeneti formák (közti termékek, tranziensek) vizsgálata

Az ún. reakcióút különféle élettartamú

átmeneti formákon keresztül végnemenő

reakció-sorozatot jelent.

Ilyen jellegű kísérletekben különösen hasznos a

nyomjelzéses technika, izótóp elemekkel

feltöltött molekulák alkalmazása.

Egy példa a félvezető technológiából

Felületi Ge adalékolása a Si felületek CVD növesztése közben elősegíti a hidrogén deszorpcióját, igy gyorsabban növeszthetők jó minőségű rétegek; a bevezetett modellleken végzett DFT számítások sokkal olcsóbban tették lehetővé a megfelelő technológia kialakítását, mintha azt kísérletileg kellett volna végig játszani

A szénhidrogén katalízis egyik fontos részfolyamata a hidrogén kötések szelektív kezelése.

Ma már igen hatékonyan lehet kontrolláni a C-H kötés jelenlétét, és a kutatások arra irányulhatnak, hogy a szelektív kötés-felhasadáshoz szükséges körül-ményeket megtaláljuk.

Szelektív hidrogén elimináció

Felületi aktív centrum felderítése (mely lokális atomi konfiguráció a leghatékonyabb az adszorpció – disszociáció számára)

Különféle orientációjú (esetleg rekonstrukciójú) felületek alkalmazása.

A felülettudományi kutatások egyik nagy sikere volt az ammónia szintézis hatékonyabbá tétele.

klaszterforrás

egyenkénti generálás

felületi önszerveződés

Kétdimenziós katalitikus modellrendszerek

kialakítása

Itt már összetett rendszereket vizsgálunk

Az ún. „material gap” (bonyolúltsági szakadék)

csökkentése.

Oxid-sík / fém-nanoklaszter

Katalitikus klaszterméret1-10 nm.

„valahol itt járunk”

Ezen kísérletekben a pásztázó szondás technikák vannak

leginkább segítségünkre.

Vizsgálni lehet a részecske-morfológia változását a katalitikus körülmények

között.

A fém-hordozó kölcsönhatás vizsgálata kiemelt

terület.

A modern pásztázó atomszondás módszerekkel olyan klasszikus katalitikus folyamatok jeleníthetők meg vizuálisan, mint a „spill-over” vagy a „enkapszuláció”.

Az IR spektroszkópiák alkalmasak a reakció közben is detektálni a

felületi formákat.

„pressure gap” problémaNagy nyomásokon több

rétegű gyengén kötött fázis is jelen lehet a

felületen.

„Rengeteg munka. De ha lehet automatizálni, miért ne használjuk?!”Katalizátor optimatizálás Kombinatorikus katalízis

„Ahol mindig jó a vákuum, az a bolygóközi tér”

A naprendszerünk tele van oxid nanorészecskével, különböző kis atomszámú gázokkal, vagyis egy kész vizsgálati berendezés. A csillagászati spektroszkópia napjainkban igen gyorsan fejlődik.

A naprendszerünk részecskéinek begyüjtése a különböző helyeken már megindult. A szondák legtöbbször automatikusan egy vékony rétegben gyüjtik össze a részecskéket, amelyeket aztán felületi analitikai módszerekkel különíthetünk el az eredeti összetételtől ott a helyszínen vagy a

Földre szállításuk után.

A fénylő égitestek, mint például a Hold és a Merkur, ezt a tulajdonságukat a

nagyenergiájú fotonok által kiváltott Na és K ion-szférának köszönhetik. A baj csak az, hogy a telekommunikációban

súlyos zavarokat okoznak az ilyen „felhők”.

Mindettől a leendő űrhajósok élete függhet.

A naprendszerünk égitesteinek felülete tele van részecske bombázások okozta kráterekkel, amelyeknek léptéke a nanométertől a gigaméter tartományban változik.

„egy reményt keltő folyamat ”

A jéggel borított területek felet (mind például a Mars hósapka vidékén) oxigén keletkezését észlelték, amely feltételezhetően a víz elektron-indukált átalakulásával értelmezhető.