V současné době představuje velmi závažný problém především v městských oblastech vysoká úroveň znečištění vzduchu oxidy dusíky (tzv. NOx). V urbanizovaných oblastech představuje hlavní zdroj emisí automobilová doprava, která je jako zdroj o to závažnější, že k emisím NOx dochází v přízemní vrstvě atmosféry, ve které se pohybují lidé. Zatímco odstraňování NOx ze spalin zážehových (benzínových) motorů nepředstavuje v současnosti výrazný technický problém, technologie pro čištění výfukových plynů z dieselových (naftových) motorů zatím nejsou zcela uspokojivě zvládnuty. V současnosti je v případě čištění dieselových spalin používána metoda selektivní katalytické redukce oxidů dusíku čpavkem pomocí katalyzátoru na bázi zeolitu ZSM-5 kde aktivní složku představují ionty mědi.
Zeolity jsou širší veřejnosti prakticky neznámé materiály, které však představují v současnosti největší a nejvýznamnější skupinu heterogenních katalyzátorů používanou v průmyslové výrobě. Jedná se o složité hlinitoktřemičitany s třídimenzionální krystalovou mřížkou 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 pro eliminaci oxidů dusíku je tímto kationtem, na kterém probíhá redukce NOx kationt mědi.
V současnosti je velká pozornost věnována vývoji nové generace katalyzátorů na čištění dieselových emisí, založená na použití zeolitu SSZ-13. Tento zeolit má velmi malé vstupy do kanálového systému, do kterého tak mohou vstoupit molekuly NO a NO2 a čpavku, ale ne zbytky nespálených uhlovodíků tvořících naftu. Je tak možné eliminovat tvorbu uhlíkatých úsad, které ucpávají katalyzátor a snižují jeho účinnost a musí být čas od času odstraněny vypálením, které vede ke snižování životnosti katalyzátoru. Vzhledem k tomu, že kationty mědi kompenzují negativní náboj skeletálních atomů hliníku, je jejich uspořádaní (vzdálenost a poloha v kanálovém systému) v zeolitu jedním z klíčových parametrů, které mohou ovlivňovat vlastnosti kationtů mědi a tak katalytické chování zeolitu. V rámci našeho výzkumu se podařilo provést první detailní analýzu distribuce hliníku v zeolitu SSZ-13 pomocí iontů kobaltu, které sloužily jako spektroskopické próby. V zeolitu SSZ-13 mohou být přítomné izolované atomy hliníku, schopné stabilizovat jednomocné měďné ionty, a blízké hliníky, schopné stabilizovat dvoumocné měďnaté ionty. V případě blízkých hliníkových atomů se dále podařilo popsat jejich polohy v jednotlivých strukturách (kruzích) zeolitové mřížky, která vede ke vzniku různě dvoumocných iontů s různou koordinační geometrií a přístupností pro reaktanty.
DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b07343
Distribution of Al atoms and siting of divalent cations in SSZ-13, K. Mlekodaj, E. Tabor, P. Klein, M. Urbanova, J. Brus, R. Karcz, V. Pashkova, S. Sklenak, J. Phys. Chem. C, in press..