Lidstvo se neobejde bez chemické výroby. Drtivá většina chemických výrobních postupů používaných v průmyslu využívá různých katalytických procesů. K dosažení chemické výroby co nejšetrnější k životnímu prostředí je proto zapotřebí vyvíjet co nejselektivnější (tj. nejméně odpady produkující), energeticky nejméně náročné procesy využívající surovin vhodných z hlediska trvalé udržitelnosti.
V současnosti představují nejširší a nejvýznamnější skupinu průmyslově využívaných katalyzátorů zeolity. To 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. 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. V případě redoxních procesů, jako např. selektivní katalytická redukce oxidů dusíku se jedná o kationty přechodných kovů.
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 tým prokázal, že jednotlivé připravené katalyzátory té samé struktury a stejného chemického složení se ale mohou lišit jak ve vzdálenostech mezi atomy hliníku, tj. v možnosti spolupráce kyselých protonových center nebo stabilizace vícemocných kationtových center, tak v lokalizaci hliníkových atomů (tj. katalytických center) v kanálovém systému zeolitu. Za tím účelem byla vytvořena sada analytických metod, které umožňují komplexní charakterizaci atomů hliníku ve skeletu zeolitu. Ta umožnila popsat variabilitu tohoto uspořádání, tj. různé typy organizace hliníku, které se v zeolitech vyskytují a dokonce vyvinout syntézní postupy, které umožňují organizaci hliníku v zeolitu řídit. Je tak možné získat zeolity stejné struktury, které se dramaticky liší ve vlastnostech a uspořádání jejich katalytických center. Znalosti o analýze a řízení distribuce hliníku v zeolitických matricích tak otevírají možnost cílené přípravy nové generace vysoce aktivních a selektivních katalyzátorů s vlastnostmi optimalizovanými pro potřeby jednotlivých katalytických procesů.
https://doi.org/10.1002/cssc.201801959 Tuning the Aluminum Distribution in Zeolites – a New Way for Increasing their Performance in Acid Catalyzed Reactions, J. Dedecek, E. Tabor, S. Sklenak, Chem. Sus. Chem., 12 (2019) 556 – 576.