Zaskakujące działanie znanych katalizatorów

Dr M. Bonarowska z IChF PAN podczas prac z kat. Pd-Cu/SiO2 Źródło: IChF PAN

Wiele ważnych dla ochrony środowiska procesów, na przykład usuwanie azotanów z wód gruntowych czy chloru ze ścieków, wymaga dla właściwego ich przebiegu zastosowanie różnego rodzaju katalizatorów. Jednymi z najczęściej stosowanych są katalizatory palladowo-miedziowe, których mechanizm działania uważany był za znany. Tymczasem polscy chemicy odkryli, że zachowują się one w czasie reakcji zupełnie inaczej niż dotychczas sądzono.

Katalizator to pewna substancja chemiczna mająca na celu przyśpieszenie przebiegu pożądanej reakcji, odtwarzająca się po niej i często powodująca wzrost selektywności (zwiększenie ilości produktu pożądanego w stosunku do produktów ubocznych). Mogą być one substancjami prostymi lub bardziej złożonymi, te selektywne zazwyczaj zawierają dwa lub więcej metali. Do takich należy katalizator palladowo-miedziowy (Pd-Cu) osadzany na podłożu z krzemionki (SiO2), który przed użyciem w reakcji jest rozgrzewany w wysokiej temperaturze i w obecności wodoru, co ma powodować jego aktywację.

Uczeni z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Zbigniewa Karpińskiego odkryli, że jednak mechanizm jego działania jest inny niż sądzono – zmienia strukturę już podczas samego aktywowania, nie zaś w chwili rozpoczęcia reakcji właściwej.

Wiedziano, że proporcje pomiędzy metalami w katalizatorach bimetalicznych mają wpływ na wydajność ich działania. Jednak naukowcy z ICHF PAN odkryli, że również temperatura aktywacji nie pozostaje bez konsekwencji. Podczas aktywacji powyżej 400 stopni Celsjusza pallad oddziałuje z krzemionką w podłożu, uciekając z aktywnych części katalizatora. A zatem pierwotne proporcje między palladem a miedzią po procesie nagrzewania w atmosferze wodorowej mogą być mocno zaburzone. Dodatkowo zmienia się jego struktura krystalograficzna. To znaczy, że w samej reakcji katalizy bierze udział właściwie inny katalizator niż ten przygotowany. Strata palladu prowadzi głównie do szybszej dezaktywacji katalizatora, co oznacza dodatkowe koszty. A przecież często prowadzi się aktywację w temperaturach ponad 500 stopni Celsjusza, aby zapewnić jak najlepsze wymieszanie obydwu składników katalizatora. Naukowcy proponują rozpatrzenie sytuacji dłuższego procesu aktywacji, ale w niższych temperaturach, co prowadziłoby do dłuższego działania katalizującego reakcje chemiczne.

(pj)