Felülettudomány a heterogén katalízisben és a csillagászatban Az ipari eljárások igen jelentős része (80 %) alapul valamilyen heterogén katalitikus reakción.

Az előadások a következő témára: "Felülettudomány a heterogén katalízisben és a csillagászatban Az ipari eljárások igen jelentős része (80 %) alapul valamilyen heterogén katalitikus reakción."— Előadás másolata:

1 Felülettudomány a heterogén katalízisben és a csillagászatban Az ipari eljárások igen jelentős része (80 %) alapul valamilyen heterogén katalitikus reakción. Ezen, szilárdtestek felületén lejátszódó folyamatok számos esetben jól kidolgozottak (szénhidrogének konverziója, methanol előállítás, ammónia gyártás, stb.), ugyanakkor főleg a melléktermékek keletkezése vagy a magas energiaigény szempontjából még javíthatók. Főként a gyógyszer ipari alkalmazások esetén igen fontos a 100%-os tisztaságot megközelítő előállítás, de kívánatos eddig ismeretlen katalitikus eljárások tervezhető kidolgozása is. A felülettudományi kutatások szerepe a heterogén katalízis szempontjá- ból főként az, hogy felületérzé- keny módszerek kifejlesztésével és alkalmazásával a heterogén ka- talitikus folyamatok elemi lépéseit megismerjük.

2 Polikristályos és kétdimenziós (2D) modellrendszerek (oxidhordozós nemesfém katalizátorok) Polikristályos oxidhordozós katalizátor A hordozó oxid átlagos szemcsemérete a 0.1-1  m nagyságrendbe esik, a hordozott fémrészecskék ennél kb. két nagyságrenddel kisebbek, méretük 1-10 nm.. 400 nm x 400 nm Speciális módszerrel előállított kétdimenziós modell katalizátor 2D-MK Rh / TiO 2 (110) STM felvétel HREM felvétel

3 Autó kipufogó katalizátorok szerkezete NO CO átalakítása káros szénhidrogének keletkezése nélkül Al 2 O 3 habkő Rh, Pt CeO 2 ZrO 2

4 A felülettudomány fontos hídat képez az elméleti kémia és a ipari gyakorlat között, bár még van mit javítani ebben a kapcsolatban. A valós rendszerek komplex tulajdon- ságainak megismerése mind kísérleti, mind elméleti eszközökkel egyre inkább megközelíthető :  atomról –atomra definiált komplex anyagi modellrendszerek (például kétdimenziós modellkatalizátorok)  nagy atomszámot és kölcsön-hatást tartalmazó elméleti modellek, ab initio módszerekkel megtámogatott robosztus Monte Carlo szimulációk A felületi változások szempontjából fontos elemi lépések, amelyeket a felületi szerkezet különböző konfigurációja mellett kell ismernünk és lehetőleg pontosan elméletileg is leírnunk. Nagyon fontos az időskála (femtosec-mikrosec) mivel a különböző folyamatok sebességi állandója 5-10 nagyságrenddel is eltérhet. Ezt az MC szimulációkban dinamikus időskálázással lehet megoldani

5 Kémiai kötés a felületen A felület-molekula kölcsönhatás alapve- tően lokális. Jó analógia állítható fel a szerves fém- komplexek és a felületi adszor- beátumok között. A már korábbam molekulákra alkal- mazott spektroszkópiai módszerek (IR, Raman) alkalmazhatósága felületi adszorbeátumokra. Jól definiált felületi adszorpciós centru- mok és formák léte (CO top – 1 pontos, bridge - 2 pontos, hollow - 3 pontos).

6 Felületi energetika: az adszorpció valószínűsége és erőssége Nem csupán az adott adszorpciós centrum számít, hanem annak közvetlen környezete („spectator” molekula fontossága, a preadszor- beált molekulák rendezettsége is számít). Kísérletileg alkalmazható számos spekt- roszkópiai módszer, amely lehető- vé teszi a borítottság, ily módon az adszorpciós (deszorpciós) kinetika „in situ” követését. Molekula sugár („molecular beam”) módszerekkel különösen jó szimu- lálható kísérletileg a különböző energia-komponensű részecskék reakcióképessége. („pressure gap”)

7 Felületi átmeneti formák (közti termékek, tranziensek) vizsgálata Az ún. reakcióút különféle élettartamú átmeneti formákon keresztül végnemenő reakció-sorozatot jelent. Ilyen jellegű kísérletekben különösen hasznos a nyomjelzéses technika, izótóp elemekkel feltöltött molekulák alkalmazása.

8 Egy példa a félvezető technológiából Felületi Ge adalékolása a Si felületek CVD növesztése közben elősegíti a hidrogén deszorpcióját, igy gyorsabban növeszthetők jó minőségű rétegek; a bevezetett modellleken végzett DFT számítások sokkal olcsóbban tették lehetővé a megfelelő technológia kialakítását, mintha azt kísérletileg kellett volna végig játszani A szénhidrogén katalízis egyik fontos részfolyamata a hidrogén kötések szelektív kezelése. Ma már igen hatékonyan lehet kontrolláni a C-H kötés jelenlétét, és a kutatások arra irányulhatnak, hogy a szelektív kötés-felhasadáshoz szükséges körül- ményeket megtaláljuk. Szelektív hidrogén elimináció

9 Felületi aktív centrum felderítése (mely lokális atomi konfiguráció a leghatékonyabb az adszorpció – disszociáció számára) Különféle orientációjú (esetleg rekonstrukciójú) felületek alkalmazása. A felülettudományi kutatások egyik nagy sikere volt az ammónia szintézis hatékonyabbá tétele.

10 klaszterforrás egyenkénti generálás felületi önszerveződés Nanorészecske-elrendeződés létrehozásának alapvető módszerei SZAB, 2003.02.17. Kétdimenziós katalitikus modellrendszerek kialakítása Itt már összetett rendszereket vizsgálunk Az ún. „material gap” (bonyolúltsági szakadék) csökkentése. Oxid-sík / fém-nanoklaszter Katalitikus klaszterméret 1-10 nm.

11 „valahol itt járunk” Ezen kísérletekben a pásztázó szondás technikák vannak leginkább segítségünkre. Vizsgálni lehet a részecske- morfológia változását a katalitikus körülmények között. A fém-hordozó kölcsönhatás vizsgálata kiemelt terület.

12 A modern pásztázó atomszondás módszerekkel olyan klasszikus katalitikus folyamatok jeleníthetők meg vizuálisan, mint a „spill-over” vagy a „enkapszuláció”.

13 Az IR spektroszkópiák alkalmasak a reakció közben is detektálni a felületi formákat. „pressure gap” probléma Nagy nyomásokon több rétegű gyengén kötött fázis is jelen lehet a felületen.

14 „Rengeteg munka. De ha lehet automatizálni, miért ne használjuk?!” Katalizátor optimatizálás Kombinatorikus katalízis

15 „Ahol mindig jó a vákuum, az a bolygóközi tér” A naprendszerünk tele van oxid nanorészecskével, különböző kis atomszámú gázokkal, vagyis egy kész vizsgálati berendezés. A csillagászati spektroszkópia napjainkban igen gyorsan fejlődik.

16 A naprendszerünk részecskéinek begyüjtése a különböző helyeken már megindult. A szondák legtöbbször automatikusan egy vékony rétegben gyüjtik össze a részecskéket, amelyeket aztán felületi analitikai módszerekkel különíthetünk el az eredeti összetételtől ott a helyszínen vagy a Földre szállításuk után.

17 A fénylő égitestek, mint például a Hold és a Merkur, ezt a tulajdonságukat a nagyenergiájú fotonok által kiváltott Na és K ion-szférának köszönhetik. A baj csak az, hogy a telekommunikációban súlyos zavarokat okoznak az ilyen „felhők”. Mindettől a leendő űrhajósok élete függhet.

18 A naprendszerünk égitesteinek felülete tele van részecske bombázások okozta kráterekkel, amelyeknek léptéke a nanométertől a gigaméter tartományban változik.

19 „egy reményt keltő folyamat ” A jéggel borított területek felet (mind például a Mars hósapka vidékén) oxigén keletkezését észlelték, amely feltételezhetően a víz elektron-indukált átalakulásával értelmezhető.