Základy katalýzy - MC260P137

• Anglický název: Fundamental of Catalysis
• Český název: Základy katalýzy
• Zajišťuje: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2022
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:kombinovaná
• Rozsah, examinace: zimní s.:2/1, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: prof. Ing. Jiří Čejka, DrSc.
• Vyučující: prof. Ing. Jiří Čejka, DrSc.; Mgr. Pavla Eliášová, Ph.D.; Ing. Jan Přech, Ph.D.

Anotace

čeština

Poslední úprava: Ing. Jan Přech, Ph.D. (14.10.2020)

Současný svět stojí z velké části na produktech chemického průmyslu a přibližně 85-90% všech chemických procesů je katalyzováno nějakým typem heterogenního nebo homogenního katalyzátoru. Cílem kurzu je seznámit studenty se základními principy katalýzy. Důraz je kladen zejména na pochopení funkce katalyzátoru a jeho chování v katalytických reakcích, možnosti přípravy, mechanismy katalytických reakcí a využití experimentálních technik ke studiu katalyzátorů a průběhu katalytických reakcí. Vlastní přednášky (průměrně 2 hodiny týdně) budou doplněny cvičeními nebo experimentálními úkoly (průměrně 1 hodina týdně).

Kurs předpokládá obecné znalosti z anorganické, organické a fyzikální chemie. Na kurs navazuje předmět Praktická katalýza.

Po dobu nařízené distanční výuky bude předmět realizován formou přednášek prostřednictvím služby Zoom. Cvičení budou probíhat v prostředí služby google classroom/google meet.

angličtina

Poslední úprava: Ing. Jan Přech, Ph.D. (14.10.2020)

Catalysis represents is essential in production of intemediates as well as final products of chemical industry. 85-90% of industrial processes are designed with involvement of some catalyst. The aim of this course is to introduce fundamental principles of catalysis. The course will focus on understanding the role of catalysts and their behavior in catalytic reactions, reaction mechanisms, and application of the most important experimental techniques in catalyst characterization and evaluation in catalytic reactions. The lectures (2 hours per week in average) will be accompanied by exercises or experimental practices (1 hour per week in average).
General knowledge of inorganic, organic and physical chemistry is expected. The course if followed by Catalysis is Practice course.

During the COVID restrictions, the lectures will be held online via Zoom application and seminars will use google classroom/google meet environment.

Literatura

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Iva Zusková, CSc. (26.02.2020)

Contemporary catalysis: Science, Technology, and Applications, Royal Society of Chemistry, London 2017

 

Industrial Catalysis: chemistry and mechanism, Imperial College Press, London, 2016

 

Catalysis - An Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis, Elsevier, Amsterdam 2000.

 

Spectroscopy in Catalysis - J.H. Niemasnverdriet, VCH Berlin 1995.

Požadavky ke zkoušce

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Iva Zusková, CSc. (26.02.2020)

Z: za splnění úkolů ze cvičení; Zk: test základních znalostí (multiple choice), krátká diskuse o vybraném tématu

angličtina

Poslední úprava: doc. RNDr. Iva Zusková, CSc. (26.02.2020)

C: for solving tasks from seminars; Ex: multiple choice test in basic knowledge, short discussion on selected topic. 

Sylabus

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Iva Zusková, CSc. (26.02.2020)

1)      Úvod do katalýzy

Obecný úvod do katalýzy a vymezení oblasti, které se předmět věnuje:

Cíle a záběr kurzu.

Stručná historie katalýzy – Nobelovy ceny v katalýze

Definice katalytické reakce - klasická (snížení akt. energie pomocí změny mechanismu) i teoretická (přesun reakce na jinou hyperplochu potenciální energie).

Základní pochody při katalytických reakcích (fyzikální a chemické kroky); obecný mechanismus; 7 kroků heterogenně katalyzované reakce.  

Termodynamický aspekt katalýzy – katalyzátor neovlivní rovnováhu a proč. Teplotní vlivy na katalyzované reakce.

Základní pojmy v katalýze: aktivační energie, Arrheniova rovnice, reakční koordináta, předpoklad kvazi-stacionárního stavu a kvazi-stacionární stav, konverze, selektivita, TOF, TON, úvodní reakční rychlost, stabilita, environmentální faktor a kde se tyto pojmy uplatní. 

Definice+příklady homogenní, heterogenní, enzymatická, fotokatalýza, elekrokatalýza. „Kurs se bude věnovat těmto dílčím oblastem s ohledem na jejich význam“.

Současné výzvy v katalýze; přechod k zeleným technologiím a obnovitelným zdrojům

2)      Kinetika a termodynamika katalyzovaných reakcí

Rychlost určující krok, kinetické vs. difuzní řízení reakce, obecné podmínky pro dosažení kinetického režimu.

Difuze v katalyzátoru + definice a klasifikace pórů.

Úloha adsorpce v katalytické reakci, fyzikální adsorpce, chemisorpce (sila adsorpce a jeji mereni), izostericke teplo adsorpce, adsorpční a aktivní centrum, adsorpční isotermy (Henryho, Langmuirova, Freundlichova isoterma, BET).

Základní představy o mechanismech heterogenně katalytických reakcí (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen).

Langmuir-Hinshelwood - Ukázky, odvození jednoduchých kinetických rovnic pro základní typy těchto reakcí. Časové závislosti složení produktů pro různé typy reakcí.

Thieleho modul a efektivita využití katalyzátoru.

3)      Heterogenní katalýza

Typy heterogenní katalyzátorů; složky katalyzátoru: aktivní fáze – nosič – pojivo - aktivátor

Nano – mikro – makro – měřítko reálného katalyzátoru

Aktivní centra v heterogenních katalyzátorech

Zeolity – struktura: základní stavební jednotky, systém pórů, atlas zeolitů; syntéza: hydrotermální syntéza, úloha templátu, mineralizační činidla (OH vs. F); povaha aktivních center: chemické složení zeolitů, kyselá centra; Bronstedovská a Lewisovská kyselost, iontoměničové vlastnosti, redoxní centra; příklady využití.

Oxidické  a sulfidické katalyzátory

Raney kovy

Nosičové kovové katalyzátory – struktura: proč nosič?

Bifunkční katalyzátory – synergie nosiče a kovu, kovy v zeolitech, enkapsulace kovových nanočástic, kyselé+redox katalyzátory.

4)      Homogenní katalýza (organocatalysis)

Obecné přístupy, pojmy TON a životnost katalyzátoru

Vybrané typy homogenních katalyzátorů – kyseliny, organometalické komplexy, chirální komplexy

Příklady využití s diskusí struktury katalyzátoru:

asymetrická hydrogenace, BINAP + úloha ligandů v OM komplexech

Hydroformylace

Ziegler-Natta katalyzátory, polymerace propylenu

Heterogenizace homogenních katalyzátorů: funkcionalizace katalytických nosičů, modifikace křemičitanových nosičů např. metalloceny (nejen) pro polymerizační reakce; 2-fazova katalýza

5)      Enzymatická katalýza, foto a elektrokatalýza

Obecný přístup, TON a lifetime v enzymatické katalýze. Michaelisovská kinetika a obecný mechanismus enzymatických reakcí.

Praktické použití enzymů: Izomerizace cukrů s pomocí enzymů, imobilizace enzymu - enkapsulace

Inhibice enzymatických reakcí

 

6)      Syntéza katalyzátorů + Charakterizace

Laboratorní měřítko – poloprovoz – průmyslová syntéza

Suroviny pro syntézu – rozdíl: laboratoř vs. skutečný proces

Metoda studia katalyzátorů:

Rentgenová difrakční analýza

Mikroskopie

MAS NMR

EXAFS/XANES

Infračervená spektroskopie

Chemická analýza

Adsorpční techniky

7)      Katalytický experiment + Charakterizace

Co je cílem katalytického testu

Výzkumný vs. průmyslový katalyzátor

Základní představy o laboratorním katalytickém experimentu, schema aparatur, metodika přípravy experimentu, reaktory, sytiče, lineární dávkovače, dávkovací systémy

Základní typy reaktorů – parametry – délka a výška lože, velikost částic

Testy práce v kinetické vs. difuzní oblasti

Dezaktivace katalyzátorů

Metoda studia katalytických reakcí:

Chromatografie

Infračervená spektroskopie

Hmotnostní spektrometrie

In-situ a Operando přístupy

8)      Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma

angličtina

Poslední úprava: doc. RNDr. Iva Zusková, CSc. (26.02.2020)

1)      Introduction to catalysis

General introduction and description of catalysis:

Aims and scope of the course.

Brief history of catalysis – Noble Prize winners in catalysis.

Definition of a catalysed reaction

Basic phenomena in catalytic reactions (physical and chemical steps); genegal mechanism of a catalysed reaction;7 steps in heterogeneously catalysed reaction.

Thermodynamic aspect of catalysis – a catalyst will never influence a chemical equilibrium and why. Temperature effects in catalysis.

Basic terms in catalysis: activation energy, Arrhenius equation, reaction coordinate, kvazi-stationary state assumtion, conversion, selectivity, TOF, TON, initial reaction rate, stability, environmental factor; and where these terms will apply.

Definition and examples of homogeneous, heterogeneous, enzymatic, photocatalysis and electrocatalysis.

Current challenges in catalysis; sustainable and green energy and technology transition

2)      Kinetics and thermodynamics of catalysed reactions

Rate determining step, kinetic vs. diffusion regime of a reaction, general conditions needed to achieve a kinetic regime.

Diffusion in a catalyst; pore definition and classification.

Role of adsorption in a catalytic reaction; physisorption, chemisorption, strenght of adsoprtion and its meassurement, isosteric heat of adsorption; adsorption site and active site, adsorption isotherms (Henry, Langmuir, Freudlich, BET).

Basic mechamisms of heterogeneously catalysed reactions (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen).

Langmuir-Hinshelwood – examples of kinetic equations derivation; time dependence of the product composition for different types of reactions.

Thiele modulus and catalyst usage efficiency (effectiveness factor).

3)      Heterogeneous catalysis

Types of heterogeneous catalysts; catalyst, support, binder, activator

Nano – micro – macro – scale of a real catalyst

Active sites in heterogeneous catalysts

Zeolites: structure (primary and secondary  building units, channel system, atlas of zeolites), synthesis (hydrothermal synthesis, template, mineralization agents), active sites (chemical composition of zeolites, acid sites (Bronsted vs. Lewis), ion-exchanging properties, redox centres), application examples.

Oxidic and sulphidic catalysts

Raney metals

Supported metal catalysts – why do we need a support?

Bifunctional catalysts – metal support synergy; metals in zeolites, metal nanoparticles encapsulation, acidic+redox catalysts.

4)      Homogenous catalysis (organocatalysis)

General approach; TON and catalyst lifetime

Selected types of homogeneous catalysts – acids, organometallic complexes, chiral complexes

Application examples and discussing particular catalyst structure

Asymmetric hydrogenation, BINAP and role of ligands in OM complexes

Hydroformylation

Ziegler-Natta catalysts, propylene polymeration  

Heterogenization of homogeneous catalysts: functionalization of support; modification of aluminosilicate support (e.g. metallocenes for polymeration); biphase catalysis

5)      Enzymatic catalysis, photocatalysis, electrocatalysis

General approaches, TON and lifetime in enzymatic catalysis; general mechanism of enzymatic reaction; Michaelis-Menton kinetics

Practical use of enzymes: enzyme catalysed sugar isometrization; enzyme encapsulation

Inhibition of enzymatic reactions

 

6)      Catalyst preparation and characterization

Lab scale – pilot plant – industrial synthesis

Resources: lab vs. industry

Catalyst characterisation:

Powder X-ray diffraction

Electron microscopy techniques

MAS NMR

EXAFS/XANES

Infrared spectroscopy

Chemical analysis

Adsorption techniques

7)      Catalytic experiment and related analytical techniques

Aim of a catalytic test

Research vs. industrial catalyst

Lab scale catalytic experiment: apparatus and methodology; reactors, saturators, linear pumps and other dosing systems

Basic types of catalytic reactors, size of a catalyst bed, particle size

Test on kinetic vs. diffusion regime

Catalyst dezactivation

Analytical techniques for catalytic reactions

Chromatography

Infrared spectroscopy

Mass spektrometry

In-situ a Operando techniques

8)      Invited talk on selected topic given by an expert in the field