Naše civilizace je doposud založena na využití ropy jako klíčového zdroje energie a surovin pro výrobu. Nedávné zavedení těžby břidličného zemního plynu představuje dramatickou změnu v oblasti zdrojů uhlovodíků. Zemní plyn nyní představuje velmi dostupný zdroj uhlovodíků, jehož využití je navíc doprovázeno podstatně nižšími emisemi CO2. Jeho využití je ale zatím omezeno tím, že se dosud nepodařilo zvládnout transformaci metanu na kapalné produkty. Na tuto oblast je proto soustředěna značná pozornost. Jako nejvýhodnější se v této oblasti jeví selektivní oxidace metanu na metanol, který představuje jak možné palivo, tak možnou základnu pro řadu chemických výrob.
Problémem oxidace metanu na metanol je to, že molekula metanu je málo reaktivní. V případě dosažení dostatečně vysoké teploty nutné k její reakci s kyslíkem a vniku metanolu je teplota značně vyšší než je potřebné k následné oxidaci metanolu až na CO2 a dojde k proto ke spálení metanu na CO2 a vodu. Klíčem je proto zvládnout oxidaci metanu za nízké teploty a zastavení oxidačního procesu v prvním kroku. Našemu týmu se podařilo dosáhnout výrazného průlomu v této oblasti. Námi vyvinutý reakční systém, založený na spolupráci dvou kationtů přechodových kovů umístěných naproti sobě v zeolitické matrici a připomínající některé metaloenzymy je schopný rozložit molekulární kyslík na dva atomární kyslíky vázané každý na jeden iont přechodového kovu za nízké teploty. Takto vzniklé atomární kyslíky jsou velmi reaktivní a dovedou za nízké teploty oxidovat metan na metanol. Za vhodných podmínek pak nedochází k další oxidaci. Binukleární Fe kationtová centra jsou proto schopná oxidovat metan selektivně na metanol již pod 200 °C s takovou aktivitou, že hodinová produkce metanolu na jednotku hmotnosti je u námi navržených materiálů až stonásobná oproti dosud nejlepším výsledkům uváděným v literatuře.
Klíčem pro přípravu katalyzátoru je zajistit, že v zeolitu s vhodnou strukturou a uspořádaním Al atomů stabilizujících kationty opravdu vzniknou binukleární centra. A to různých dvojmocných kationtů, protože dosud popsaný system na bázi železeza není příliš vhodný pro praktické použití. Náš tým proto vyvinul analytický postup využívající infračervené spektreoskopie, který umožňuje velmi dobrou kvantitativní analýzu přítomnosti a umístění dvoumocných kationtů v zeolitických kanálech. To následně umožňilo vyvinout postupy, vedoucí k dostatečné koncetraci kationtů kobaltu, manganu a niklu ve vhodných polohách, která zaručuje vznik binukleárních kationtových center v zeolitu. Takto připravené zeolitické materiály a metodika jsou nezbytným předpokladem pro práce na systémech umožňujících transformaci metanu na metanol.
Speciation of divalent transition metal ions in silicon rich zeolites. An FTIR study
M. Lemishka, K. Mlekodaj, Z. Sobalik, E. Tabor, J. Dedecek, J. Pure Appl. Chem., 91 (2019) 1721-1732.