Stabilization of metal nanoparticles by defects of 2D zeolites

• Název práce v češtině: Stabilizace kovových nanočástic pomocí defektů 2D zeolitů
• Název v anglickém jazyce: Stabilization of metal nanoparticles by defects of 2D zeolites
• Klíčová slova: Zeolity; 2D zeolity; syntéza; katalýza; kovová centra; kovové nanočástice; silanolové skupiny
• Klíčová slova anglicky: Zeolites; 2D zeolites; synthesis; catalysis; metal sites; metal nanoparticles; silanols
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: Michal Mazur, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Fundamental of Catalysis, Zeolites and Molecular Sieves, Physical Chemistry for International Students I, Physical Chemistry for International Students II, Transmission electron microscopy methods for materials science, Scientific Oral Presentations, Scientific Writing

Seznam odborné literatury

1. Physical Chemistry – Peter Atkins et al., Oxford Universty Press 2017.
2. Wieslaw J. Roth, Petr Nachtigall, Russell E. Morriss, Paul S. Wheatley, Valerie Seymour, Sharon E. Ashbrook, Pavla Chlubná, Lukáš Grajciar, Miroslav Položij, Zrnošt Zukal, Oleksiy Shvets, Jiří Čejka, "A family of complex zeolites with controlled pore size prepared through a 'top down'method", Nature Chemistry, 5 (2013) 628.
3. Pavla Eliášová, Maksym Opanasenko, Paul Wheatley, Mariya Shamzhy, Michal Mazur, Petr Nachtigall, Wieslaw J. Roth, Russell E. Morris, Jiří Čejka, “The ADOR mechanism for the synthesis of new zeolites”, Chemistry Society Reviews, 44 (2015) 7177.
4. M. Mazur, P. S. Wheatley, M. Navarro, W. R. Roth, M. Polozij, A. Mayoral, P. Eliasova, P. Nachtigall, J. Cejka, R. E. Morris, “Synthesis of ‘unfeasible’zeolites”, Nature Chemistry, 8 (2016) 58-62.
5. A. Li, Y. Zhang, C.J. Heard, K. Gołąbek, X. Ju, J. Čejka, M. Mazur, Encapsulating Metal Nanoparticles into a Layered Zeolite Precursor with Surface Silanol Nests Enhances Sintering Resistance, Angew. Chemie Int. Ed. 2023, 62, e202213361
6. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Authors: Williams, David B. and Carter, C. Barry. https://www.springer.com/gp/book/9780387765006
7. Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation; Authors: Reimer, Ludwig, Kohl, Helmut. http://www.springer.com/us/book/9780387400938
8. Y. Wang et al., Zeolite Fixed Metal Nanoparticles: New Perspective in Catalysis, Acc. Chem. Res. (2021), 54, 11, 2579–2590.
9. C.S. Cundy, P.A. Cox, The hydrothermal synthesis of zeolites: Precursors, intermediates and reaction mechanism, Microporous and Mesoporous Materials 82, 1, (2005), 1-78
10. Mazur, M., Přech, J. and Čejka, J. (2019). Zeolites and Other Micro‐ and Mesoporous Molecular Sieves. InKirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, Inc (Ed.). doi:10.1002/0471238961.zeolcejk.a01.pub2
11. Daniel N. Rainer, Michal Mazur, Electron microscopy methods for characterisation of zeolite catalysts, Catalysis, 2020, 32, 151–187, DOI: 10.1039/9781788019477-00151
12. W.J. Roth, M. Opanasenko, M. Mazur, B. Gil, J.Čejka, T. Sasaki, Adv. Mater. 2023, 2307341.
13. H.S. Lee, N.S. Kim, D. Kwon, S.K. Lee, M. Numan, T. Jung, K. Cho, M. Mazur, H.S. Cho, C. Jo, Adv. Mater. 2021, 33, 2105398.
14. W. Dubiel, M. Kobielusz, K. Mróz, M. Mazur, L. Ang, L. Chmielarz, W. Macyk, W.J. Roth, J. Čejka, B. Gil, Appl. Mater. Today. 41 (2024) 102473.

Předběžná náplň práce

Kovové nanočástice uzavřené v pórech zeolitů a stabilizované na povrchu 2D zeolitů vykazují vylepšenou katalytickou aktivitu, vysokou odolnost vůči slinování a rovnoměrné rozložení aktivních center. Jejich výkonnost je však často omezována difuzními překážkami. Nadějnou alternativu představují nově se objevující 2D zeolity, které kombinují výhody tradičního zeolitového prostředí s lepší přístupností. Tyto materiály, včetně koloidních suspenzí monovrstev, mají unikátní vrstevnatou strukturu umožňující silnější interakce mezi zeolitovou podporou a kovovými nanočásticemi. Klíčovým rysem 2D zeolitů je možnost přesného inženýrství silanolových skupin, což umožňuje ladění jejich vlastností podle specifických katalytických požadavků.
Cíle projektu:
Tento projekt se zaměřuje na syntézu řady 2D zeolitů (MWW, IPC, MFI a FER) a systematické inženýrství jejich povrchových silanolových skupin pro stabilizaci kovových nanočástic. Bude vyvíjet strategie pro kontrolu velikosti a distribuce nanočástic za účelem dosažení optimálního katalytického výkonu a nahrazování drahých kovů, jako je platina, cenově dostupnějšími přechodnými kovy, například Ni, Cu a Zn. Cílem je zvýšit katalytickou účinnost a zároveň podporovat udržitelnou a ekonomicky výhodnou syntézu.
Metodika:
Pokročilé metody charakterizace budou využity ke studiu připravených materiálů. In-situ mikroskopie atomárních sil ve spojení s rastrovací elektronovou mikroskopií (AFM-in-SEM) umožní analýzu velikosti a prostorové distribuce nanočástic na povrchu 2D zeolitů. In-situ ohřev v kombinaci s vysokorozlišovací rastrovací transmisní elektronovou mikroskopií (HR-STEM) bude použit ke zkoumání tepelné stability nanočástic.
Katalytické testy:
Katalyzátory budou testovány v náročných vysokoteplotních reakcích, především při katalytických hydrogenacích, aby se posoudila jejich stabilita, aktivita a celková výkonnost. Výsledkem této studie bude vytvoření komplexního rámce pro inženýrství silanolových defektů, který přispěje k návrhu ekonomicky výhodných a ekologicky udržitelných zeolitových katalyzátorů na bázi kovových nanočástic.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Metal nanoparticles confined within zeolite pores exhibit enhanced catalytic activity, high sintering resistance, and uniform active sites distribution. However, their performance is often limited by diffusion constraints. A promising alternative is the emerging class of 2D zeolites, which combine the benefits of traditional zeolite confinement with improved accessibility. These materials, including colloidal suspensions of monolayers, have unique layered structures that enable stronger interactions between the zeolite support and metal nanoparticles. Importantly, 2D zeolites allow for precise silanol engineering, enabling property tuning to meet specific catalytic requirements.
This project aims to synthesize a series of 2D zeolites (MWW, IPC, MFI, and FER) and systematically engineer their surface silanols to stabilize metal nanoparticles. It will develop strategies to control nanoparticle size and distribution for optimal catalytic performance while replacing expensive noble metals with cost-effective transition metals such as Ni, Cu, and Zn. This approach seeks to enhance catalytic efficiency while promoting sustainable and economically viable synthesis.
Advanced characterization methods will be employed to study these materials. In-situ atomic force microscopy in scanning electron microscopy (AFM-in-SEM) will be utilised to analyse nanoparticle size and spatial distribution on 2D zeolite surfaces, while the use of in-situ heating high-resolution scanning transmission electron microscopy (HR-STEM) will assess the thermal stability of the nanoparticles.
The catalysts will be tested in demanding high-temperature reactions (mostly catalytic hydrogenations), to evaluate their stability, activity, and performance. Ultimately, this research aims to establish a comprehensive framework for silanol defect engineering, advancing the design of economically viable and environmentally sustainable zeolite-supported metal catalysts.