Heterogenní katalýza Úvod do studia katalýzy Tento učební materiál byl vytvořen v projektu POSPOLU – Podpora spolupráce škol a firem. Obsah prezentace je možné pro potřeby výuky upravovat. Projekt POSPOLU neručí za správnost těchto úprav. Originální verze publikace: 1

 Seznámení s katalýzou  Příklady katalýzy z praxe  Teorie a pojmy v katalýze  Speciální témata v katalýze  Praxe katalýzy – katalytický experiment  Techniky pro studium katalýzy  Závěry 2 Obsah

Jak je katalýza důležitá? 1. Katalýza v průmyslu 2. Katalýza v chemické laboratoři 3. Katalýza v životním prostředí 4. Katalýza v živých organismech 5. ? Doplňte příklady: Úvod do studia katalýzy 3

Co je katalýza – různé definice: 1. Urychlení chemické reakce další látkou, která se však sama přitom nemění, nespotřebovává. 2.Urychlení chemické reakce, avšak beze změny jejího konečného výtěžku. Doplňte: Úvod do studia katalýzy 4

Poznámky: Reakční rychlost? Např. pro reakci Reakční rychlost rychlostní konstanta Rychlostní konstanta pro rychlost reakce ve směru přímém k 1 pro rychlost reakce v opačném směru k 2 Rovnovážná konstanta Úvod do studia katalýzy 5

Jak katalýza funguje? Přech. komplex : A + (K)  A-K  B-K  B + (K) Poznámky: A + (K) B + (K) A-K Úvod do studia katalýzy 6

Jak se katalýza dělí? 1. Podle fáze: homogenní heterogenní 2. Podle typu katalyzátoru: katalýza na kovech katalýza na oxidech, sulfidech … katalýza na acidobazických katalyzátorech 3. Podle povahy katalyzátoru: katalýza na vodičích katalýza na polovodičích katalýza na izolátorech Poznámky: Úvod do studia katalýzy 7

Příklady průmyslově aplikované katalýzy / katalyzátor: Poznámky: ½ SO 2 + O 2  ½ SO 3 / H 2 SO 4 kontaktním způsobem / V 2 O 5 N 2 + 3H 2  2 NH 3 / NH 3 dle Bosche-Habera /  -Fe, K 2 O 4 NH O 2  4 NO + 6 H 2 O / Ostwaldův proces / Pt-Rh CH 4 + H 2 O  CO + 3 H 2 / Steam reforming / Raney Ni C 3 H 6  (C x H y ) n Polymerizace / katalyzátory Ziegler-Natta 2 NO  N 2, O 2 CO + O 2  CO 2 C x H y  CO 2, H 2 O / automobilové katalyzátory Úvod do studia katalýzy 8

Příklady katalýzy z praxe Úvod do studia katalýzy 9

Syntéza amoniaku, Haber-Boschův způsob: Poznámky: 3 H 2 + N 2  2 NH 3 Katalyzátor:  -Fe-(Fe 2 O 3 )-Al 2 O 3 Způsob slouží následně: k výrobě kyseliny dusičné, dusičnanů a navazujících produktů dříve: z chilského ledku Vysokotlaký reaktor pro výrobu amoniaku podle Haber-Boschova způsobu [1] F. Haber [2] a C. Bosch [3] Úvod do studia katalýzy 10 0

Ložiska přírodních dusičnanů jsou vzácná: např. Chile – San Pedro de Atacama Poznámky: Před 1914 – námořní doprava 1914–1918 námořní blokáda Německa Vynález nové výroby Ovlivnil průběh I. světové války Zdroj: [4] [5] Úvod do studia katalýzy 11111

Další příklad z průmyslu: Rafinerie ropy Poznámky : Technologické schéma rafinerie ropy (Kralupy) Pohled na průmyslovou oblast Litvínova [6] Úvod do studia katalýzy 12

Heterogenní katalýza – aplikace Co dělá automobilový katalyzátor? Poznámky: 1. de-NOx NO  N 2 + O 2 O 2 2. CO  CO 2 O 2 3. C x H y  H 2 O + CO 2 Automobilový katalyzátor a princip jeho fungování Katalytický konvertor výfukových plynů − průřez [7] Úvod do studia katalýzy 13

Teorie a pojmy v katalýze Úvod do studia katalýzy 14

Heterogenní katalýza Co je aktivní centrum? Velký povrch = velká aktivita?  Ne celý povrch musí být Ne vždy! Překvapení. aktivní. Koncepce aktivního centra Příklady: Jaké povahy jsou „aktivní centra“ Kyselá Bazická Red-ox Zdroj: [8] Úvod do studia katalýzy 15

Co je to katalytický cyklus? Příklad: rozklad N 2 O N 2 O  N 2 + O-katal. O-katal. + O-katal.  O 2 O-kat. + N 2 O  N 2 + O 2 O-kat. + N 2 O  2 NO O-kat. + NO  NO 2 Katal. A C B D katal. A + B  C + D Úvod do studia katalýzy 16

Poznámky: Při zvýšení teploty o 10° vzroste reakční rychlost v průměru 2–3x. Pozn. pod čarou: Co je to „zážehová, zápalná“ T? Jaký je vliv teploty na katalýzu, co je Arrheniova rovnice? v homogenní fázi : na povrchu katalyzátoru : (reakce nekatalyzovaná) Zdroj: [9] Úvod do studia katalýzy 17

Poznámky: Z „obyčejné kinetiky“: Řád reakce Molekularita Úvod do studia katalýzy 18

Heterogenní katalýza Jaký je vliv stárnutí katalyzátoru, co je deaktivace? Např.: Tvorba koksu Změna fází Uvolňování složek Poznámky: Úvod do studia katalýzy 19

Další důležité/praktické pojmy v katalýze  Konverze  Selektivita  Stabilita Poznámky: Úvod do studia katalýzy 20

Speciální témata v katalýze Úvod do studia katalýzy 21

Katalýza na zeolitech Co je to molekulové síto = zeolit? Poznámky: Zdroj: [10] Úvod do studia katalýzy 22

Praxe katalýzy – katalytický experiment Úvod do studia katalýzy 23

katalytická aparatura: část pro přípravu část s vlastním reaktorem analytická část reakční směsi (zde: reaktor průtokový) (zde: chromatograf) (zde: sytič) Poznámky: Regulační průtokoměr Úvod do studia katalýzy 24

Technika − plynová chromatografie: Poznámky: Historie, M. S. Cvet, 1906: Současnost: Zdroj: [11] [12] Úvod do studia katalýzy 25

Příklad: izomerace heptanu CCCCCCC CCCCCC C CCCCCC C CCCCC C C CCCCC C C CCCCC C C C C C C C C C CCCCC C C CCCC C C C Úvod do studia katalýzy 26

Příklad z laboratorní praxe: Nástřik:Výstup: Zadání: Katalyzátor: Pt/W-ZrO 2 Reakční podmínky: 250 °C, nástřik − 1 % heptanu Jaká je konverze? =... Jaký je výtěžek v izomerizaci? =... Jaký je výtěžek pro krakování? =... Jaká je selektivita na izomerizaci a na krakování? =... Úvod do studia katalýzy 27

Zvláštnosti popisu v heterogenní katalýze: Částice katalyzátoru Póry Reakce zde probíhá na komplikovaném/složitém systému  nemožnost vyjádřit rychlost jednoduchými vztahy Textura a morfologie povrchu vzorku stanovení porozity stanovení objemu, tvaru pórů, distribuce šířek pórů (měření adsorpčních izoterem) Úvod do studia katalýzy 28

Techniky pro studium katalýzy Úvod do studia katalýzy 29

Techniky pro studium katalýzy – přehled Katalyzátor Katalytická reakce Reagující látky Analýza produktů – techniky: GC, MS, FT-IR... Struktura – techniky: XRD, EXAFS, XANES Textura – techniky: BET, porozimetrie, mikroskopie Aktivní centrum – techniky: UV-Vis, Mossbauer, EPR, NMR, TPR, TPD Mechanismus – techniky: FT-IR, MS... Úvod do studia katalýzy 30

Studium struktury, difrakce: Poznámky: Princip metody: Technické provedení: XRD, Metoda Debye-Scherrerova Jakou informaci nám poskytuje? Úvod do studia katalýzy 31

Spektroskopie v oblasti „viditelného“ záření: UV-Vis Poznámky: Princip metody: Technické provedení: Jakou informaci nám dává? Zdroj: [13] [14] Úvod do studia katalýzy 32

Spektroskopie v infračervené oblasti: co je to FT IR? Poznámky: Princip: Technické provedení: Jakou informaci nám dává? Úvod do studia katalýzy 33

Elektronová paramagnetická rezonance: co je to EPR? Poznámky: Princip: Technické provedení: Jakou informaci nám dává? Úvod do studia katalýzy 34

Hmotová spektroskopie: co je to MS? Poznámky: Princip: Technické provedení: Jakou informaci nám dává? Úvod do studia katalýzy 35

Hmotová spektr. v laboratorní praxi: kvadrupol MS? Poznámky: Princip: Technické provedení: Jakou informaci nám dává? Úvod do studia katalýzy 36

Teplotně programované techniky: co je TPD, TPR, co je kyselost povrchů? Poznámky: Princip: Technické provedení: Příklad výsledku: Jakou informaci nám dává? Regulační průtokoměr Detektor Úvod do studia katalýzy 37

Další techniky uplatňující se v katalýze: Poznámky:  Mikroskopické optická elektronová atomárních sil  Adsorpční, porometrické  Měření velikosti částic... Jakou informaci nám dávají? Úvod do studia katalýzy 38

Závěry Úvod do studia katalýzy 39

Jak se pracuje v katalýze? Poznámky: VýzkumOptimalizace Inženýrství Katalyzátor II. Studium a testování jeho vlastností I. Příprava katalyzátoru Úvod do studia katalýzy 40

 Katalýza je důležitý obor fyzikální chemie − chemické kinetiky  Široké uplatnění v praxi, výzkumu materiálů, v průmyslu...  Vytváří/spoluvytváří nové směry moderního výzkumu nanotechnologie bio-mimiking zdroje energie... Úvod do studia katalýzy 41

[1] DRAHKRUB. Ammoniak Reaktor BASF [online]. [cit ]. ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Unported na: [2] THE NOBEL FOUNDATION. Fritz Haber [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Volné dílo na: [3] THE NOBEL FOUNDATION. Carl Bosch [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Volné dílo na: [4] GALUZZI, Luca - Miscanti Lagoon near San Pedro de Atacama Chile [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Uveďte autora-Zachovejte licenci 2.5 Generic na: [5] Hochseeflotte 2 [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Volné dílo na: [6] AHZ. Jeřabinaaussicht [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Unported na: [7] STAHLKOCHER. Aufgeschnittener Metall Katalysator für ein Auto [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Uveďte autora-Zachovejte licenci 2.0 Generic na: [8] BRABEC, Libor. Přednáška k praktickým cvičením pro letní školu NANO2008. [9] Arrhenius2 [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Volné dílo na: [10] HRABÁNEK, Pavel a Bohumil BERNAUER. Synthesis and characterization of silicate-1 composite membranes: Souhrn a popis neolitické kompozitní membrány. Praha, Disertace. VŠCHT Praha. [11] Mikhail Tsvet [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Volné dílo na: [12] POLIMEREK. GC Oven inside [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Unported na: [13] DĚDEČEK, Jiří. Úvodní přednáška pro letní školu NANO2008. [14] SUIDROOT. Prism-rainbow [online]. [cit ]. Dostupné pod licencí Creative Commons − Attribution-Share Alike 4.0 International na: Zdroje 42