Výzkum a vývoj katalyzátorů

Úvod do problematiky výzkumu a vývoje katalyzátorů

Výzkum a vývoj katalyzátorů představuje klíčovou oblast moderní chemie s širokým dopadem na energetiku, životní prostředí a průmyslovou výrobu. Katalyzátory jsou látky, které urychlují chemické reakce, aniž by se samy spotřebovaly, a jejich efektivita a selektivita jsou zásadní pro optimalizaci procesů a snižování jejich environmentální zátěže.

Vědecké a výzkumné instituce, jako je Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci, se aktivně podílejí na vývoji nových katalytických materiálů. Odborník na výzkum nanomateriálů pro energetické a environmentální aplikace, Alberto Naldoni, získal podporu z programu ERC CZ na projekt nazvaný "Světlem poháněná biorafinerie využívající metakatalyzátory". Cílem tohoto projektu je vyvinout novou třídu katalyzátorů s vysokou selektivitou a účinností, jejichž vlastnosti lze řídit a optimalizovat během chemických reakcí.

Programy a granty podporující výzkum katalyzátorů

Program ERC CZ, jehož cílem je podpořit excelentní výzkum na území České republiky, hraje významnou roli v financování inovativních projektů v oblasti katalyzátorů. Tento program podporuje projekty, které uspěly v hodnocení Evropské rady pro výzkum (ERC), ale nezískaly evropskou finanční podporu.

Dalšími zdroji financování a podpory jsou například programy jako OP VVV Excelentní týmy nebo projekty v rámci mezinárodních programů jako Horizont 2020. Tyto programy umožňují realizaci komplexních výzkumných záměrů a přispívají k mezinárodní konkurenceschopnosti.

Klíčové oblasti výzkumu a vývoje katalyzátorů

Heterogenní katalýza a její aplikace

Tradiční oblastí výzkumu je inženýrství heterogenní katalýzy, které zahrnuje vývoj katalyzátorů, návrh katalytických reaktorů, vyhodnocení kinetiky a komplexní charakterizaci mikrostruktury katalyzátorů. Zvláštní důraz je kladen na vývoj nových katalyzátorů a katalytických nosičů pro průmyslové aplikace, například pro společensky odpovědnou produkci chemických látek, jako je Guerbetova reakce bioethanolu a biobutanolu nebo přímý katalytický rozklad sulfanu.

Výzkumné skupiny se také zabývají přípravou a studiem polymerních nanovlákenných katalyzátorů připravených technikou elektrostatického zvlákňování, které nacházejí uplatnění zejména pro reakce v plynné fázi, například v ochraně ovzduší prostřednictvím úplné katalytické oxidace těkavých organických látek.

Environmentální aplikace katalyzátorů

Katalyzátory hrají klíčovou roli v řešení environmentálních problémů. Mezi tato témata patří odstraňování široké škály kontaminantů, například farmak ovlivňujících lidský hormonální systém, z vodních zdrojů pomocí vhodně zvolených sorbentů a/nebo fotokatalyticky.

Výzkum se rovněž zaměřuje na katalytickou oxidaci těkavých organických látek. Například byl zkoumán vliv přídavku manganu do oxidů Ni-Cu pro dosažení vysoké katalytické účinnosti při redukci škodlivých těkavých organických sloučenin ve vzduchu. Výsledky ukázaly, že přídavek Mn k oxidům Ni-Cu vedl ke vzniku směsných oxidů Ni-Cu-Mn se spinelovou strukturou.

Katalyzátory pro energetické aplikace

Vývoj katalyzátorů pro energetické aplikace je dalším důležitým směrem výzkumu. To zahrnuje například katalyzátory pro hydrogenaci různých ropných frakcí a rostlinných surovin. V této oblasti byl zkoumán vliv lithia na NiMo/Al2O3 katalyzátory pro hydrogenaci, připravené z heteropolysloučenin, s cílem optimalizovat jejich aktivitu pro hydrodesulfuraci (HDS) a hydrodeoxygenaci (HDO).

Výzkum se také věnuje přeměně uhlíkatých energetických surovin, včetně využití biomasy, pro výrobu pokročilých kapalných paliv. Projekty se zaměřují na překonání bariéry mezi laboratorním a průmyslovým výzkumem a vývojem, například prostřednictvím platformy CATPRO, která umožňuje provádět rozsáhlé výzkumné, vývojové a inovační aktivity.

V oblasti obnovitelných zdrojů energie se výzkum soustředí na vývoj katalytických látek pro syntézu energetického plynu na PCM, inovativních katalyzátorů na bázi aktivních prvků V2O5, WO3, TiO2 pro katalytické čištění spalin ze spalování biomasy, nebo na vývoj nových generací vysoce výkonných katalyzátorů pro proces transformace metanolu na paliva.

Pokročilé materiály a technologie v katalýze

Výzkum se rovněž zaměřuje na vývoj nanostrukturovaných hierarchických zeolitických katalyzátorů pro selektivní transformaci metanolu na uhlovodíkovou frakci s vysokým obsahem rozvětvených alkanů a cykloalkanů s vysokým oktanovým číslem. Tyto katalyzátory se vyznačují vysokou stabilitou, snadnou regenerovatelností a strukturní stabilitou.

Dalšími oblastmi jsou například vývoj katalyzátorů pro katalytický rozklad amoniaku pro vodíkové palivové články, vývoj metanizačních katalyzátorů pro transformaci CO2 a zeleného vodíku na syntetický zemní plyn, nebo projekty jako Circular Fuels a FUEL-UP zaměřené na výrobu obnovitelných paliv z biomasy.

Projekty jako "Advanced Characterization of Technical components for New Power-to-X Technologies" propojují materiálový výzkum s technologiemi Power-to-X. Dále se zkoumají katalyzátory pro výrobu H2 procesem katalytického rozkladu NH3. Projekty jako Black Liquor to Fuel (BL2F) a BioMates se věnují výrobě biopaliv a meziproduktů na biologické bázi.

Výzkum a vývoj konkrétních katalyzátorů a procesů

• Vývoj nových katalyzátorů pro syntézu lehkých alkoholů (metanol/etanol).
• Katalytický rozklad NH3 na úrovni malých zařízení pro výrobu vodíku pro palivové články.
• Vývoj struktury a technologie výroby nové generace vysoce výkonného metanizačního katalyzátoru pro proces transformace CO2 a zeleného vodíku na syntetický zemní plyn.
• Výroba obnovitelných paliv z biomasy (např. dřevo, zemědělské zbytky) prostřednictvím solární pyrolýzy a následné stabilizace a zušlechtění pyrolýzního oleje.
• Výroba pokročilých biopaliv pro letecký a námořní průmysl.
• Výzkum katalyzátorů pro výrobu H2 procesem katalytického rozkladu NH3.
• Využití "Black Liquor" k vytvoření čistého, vysoce kvalitního biopaliva.
• Kombinování inovativních technologií konverze biomasy 2. generace pro nákladově efektivní výrobu meziproduktů na biologické bázi (BioMates).
• Vývoj nového katalyzátoru, který již neobsahuje chrom.
• Výzkum a vývoj nové generace zmáselňovačů s vyšším výkonem a účinným chladicím systémem pro využití v teplých klimatických oblastech.
• Komplexní zlepšení technologie úpravy vody pomocí moderních keramických membránových modulů a pokročilé polní instrumentace.
• Aplikace polymerních kompozitů pro kafilerní průmysl v podobě převozních a skladovacích nádob/kontejnerů s vyšší rázovou houževnatostí a teplotní odolností.
• Vývoj anorganického tvrdidla pro slévárenské samotvrdnoucí směsi s anorganickým pojivem pro zlepšení pracovního prostředí a snížení emisí.
• Selektivní transformace platform chemicals (např. 5-hydroxymethylfurfural, kyselina levulová) na chemikálie s vysokou přidanou hodnotou.
• Studium hydrogenace/deoxygenace modelových furanických a fenolických látek v plynné fázi na heterogenních nosičových kovových katalyzátorech.
• Výzkum a vývoj technologií pro průmyslovou výrobu inovativních zinkem plněných antikorozních nátěrových hmot z recyklovaných zinkových prášků.
• Výzkum a vývoj nové ověřené technologie moření speciálních vysocelegovaných materiálů.
• Výzkum a vývoj formy na vysokotlaké lití sanitární keramiky s prodlouženou životností.
• Studium vztahu mezi strukturními, texturními, acido-bazickými vlastnostmi a katalytickými vlastnostmi (aktivita/stabilita) rekonstruovaných podvojných vrstevnatých hydroxidů LDH.
• Výzkum a vývoj nového katalytického systému pro konverzi triglyceridů na pokročilá biopaliva a mastné alkoholy.
• Průmyslový výzkum a experimentální vývoj jednotky recyklace pro epuraci surové cukerní šťávy pomocí vápna při výrobě cukru.

Výzvy a budoucí směry

Jednou z největších výzev, se kterou se výzkum, vývoj a inovace v oblasti přeměny uhlíkatých energetických surovin potýká, je přenos výsledků mezi laboratorní a průmyslovou sférou. Platformy jako CATPRO jsou navrženy tak, aby tento přenos usnadnily tím, že umožňují provádět téměř veškeré nezbytné výzkumné, vývojové a inovační aktivity.

Budoucí výzkum se pravděpodobně zaměří na vývoj katalyzátorů s ještě vyšší selektivitou, účinností a stabilitou, které budou schopny pracovat za mírnějších reakčních podmínek a budou šetrnější k životnímu prostředí. Důraz bude kladen na využití obnovitelných zdrojů energie a surovin, cirkulární ekonomiku a snižování emisí CO2.

tags: #vyzkum #a #vyvoj #katalyzatoru