Naše civilizace je doposud založena na využití ropy jako klíčového zdroje energie a surovin pro výrobu. Na druhou stranu, zpracování ropy a její využívání je spojeno se značnými riziky pro životní prostředí. Jednou z cest, jak alespoň částečně omezit rizika vyplývající z využívání ropy představuje zvyšování efektivity jejího využívání, včetně zvyšování efektivity jejího zpracování, které představuje energeticky a surovinově náročný proces.
V současnosti drtivá většina petrochemických výrobních procesů využívá katalytické procesy, kdy klíčové katalyzátory v těchto procesech představují zeolity. Zeolity jsou širší veřejnosti prakticky neznámé materiály, které však představují v současnosti největší a nejvýznamnější skupinu heterogenních katalyzátorů používanou v průmyslové výrobě. To, společně s jejich použitím při separaci plynů (výroba dusíku jako suroviny pro výrobu čpavku a kyslíku pro ocelářství), z nich činí neobyčejně důležité materiály. Zeolity jsou složité hlinitoktřemičitany, krystalické materiály tvořené převážně tetraedry SiO4 spojenými přes své vrcholy. Na rozdíl od křemene jsou ale atomy v zeolitech uspořádány tak, že vzniklý materiál je porézní, póry velikostí odpovídají menším molekulám a díky tomu, že jsou zeolity krystalické, kanálová struktura je pravidelná. Různé uspořádání SiO4 tetraedrů pak poskytuje celou řadu různých struktur s různou velikostí a uspořádáním kanálů nebo propojených dutin. Díky tomu je většina SiO4 tetraedrů přístupná na povrchu kanálů a zeolity mají velmi velký vnitřní povrch (250 – 500 m2/g). Protože jsou zeolity hlinitokřemičitany, část tetraedrů ve struktuře zeolitu ale nepředstavují SiO4 ale AlO4– tetraedry, které mají negativní náboj. Ten musí být kompenzován pozitivním nábojem kationtu umístěným mimo krystalovou mřížku zeolitu. V případě zeolitů používaných jako katalyzátory v petrochemii je tímto kationtem proton. Zeolit tak představuje silnou kyselinu v prášku a jeho kyselé protony představují aktivní centra pro transformace uhlovodíků.
Vzhledem k tomu, že protony kompenzují atomy hliníku, je uspořádaní atomů hliníku (jejich vzdálenost a poloha v kanálovém systému) v zeolitu jedním z klíčových parametrů, které mohou ovlivňovat katalytické chování protonů. Náš výzkum prokázal, že v zeolitu ZSM-5, jednom z nejdůležitějších zeolitických katalyzátorů, jsou atomy hliníku umístěny pouze na křížení kanálů. Jednotlivé připravené katalyzátory se ale mohou lišit ve vzdálenostech mezi atomy hliníku, tj. v možnosti spolupráce kyselých protonových center. Ta v případě oligomerace propenu (jednom z důležitých petrochemických procesů) dramaticky ovlivňuje aktivitu katalyzátoru. Zeolitické katalyzátory připravené tak, že atomy hliníku jsou blízko a jejich protony mohou spolupracovat, vykazují v oligomeraci propenu až 9 krát vyšší aktivitu než zeolity s izolovanými atomy hliníku a alespoň 4 krát vyšší aktivity než komerční katalyzátory.
https://doi.org/10.1002/chem.201503758
Location of Framework Al Atoms in the Channels of ZSM-5. Effect of the (Hydrothermal) Synthesis, V. Pashkova, S. Sklenak, P. Klein, M. Urbanova, J. Dedecek, Chemistry – Eur. J., 22 (2016) 3937–3941.
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2016.09.025
Proton proximity – new key parameter controlling adsorption, desorption and activity in propene oligomerization over H-ZSM-5 zeolites, M. Bernauer, V. Pashkova, E. Tabor, D. Kaucký, J. Dědeček, Z. Sobalík, B. Wichterlová, J. Catal., 344 (2016) 157-182.