Přínosy i budoucí potenciál atomárních katalyzátorů shrnuje přehledová studie

Komplexní pohled na novou generaci materiálů – atomární katalyzátory (SACs) – přináší přehledový článek v časopise ACS Catalysis, který vznikl spoluprací vědců z CATRIN Univerzity Palackého, CEITEC, VŠB-TUO a italské Università di Catania. Tyto unikátní struktury představují průlom v oblasti elektrokatalýzy, tedy procesů nezbytných pro rozvoj technologií na výrobu čisté energie. Na přehledovou studii odkazuje i titulní stránka prestižního časopisu.

Autoři popsali historii vývoje katalyzátorů od objemových materiálů přes nanočástice a nanoklastry až po katalyzátory tvořené jednotlivými atomy (SACs – single-atom catalysts), které představují vrchol inženýrství katalyzátorů. Atomární katalyzátory zásadně proměnily elektrokatalytické procesy díky maximálnímu využití atomů a možnosti přesného ladění jejich vlastností.

„V přehledové studii jsme se věnovali syntéze, charakterizaci a teoretickému modelování SACs a přinesli jsme komplexní analýzu nejmodernějších metodologií, které se v této oblasti využívají. Zaměřili jsme se na nedávné průlomy v různých elektrokatalytických reakcích, včetně evoluce vodíku a kyslíku při štěpení vody, redukce kyslíku v zinko-vzduchových bateriích a palivových článcích, redukce CO₂ (CO₂RR) a zelené syntézy amoniaku.“ uvedl jeden ze spoluautorů Michal Otyepka.

„SACs překonávají kompromisy mezi aktivitou, selektivitou a stabilitou – snižují energetické bariéry, ovlivňují reakční mechanismy a otevírají nové možnosti pro zelené technologie. Věříme, že studie může být užitečná pro všechny výzkumníky, kteří pracují na pomezí katalýzy a udržitelné energetiky,“ doplnil další z autorů Martin Pumera.

Kromě shrnutí současného stavu elektrokatalýzy s využitím SACs studie představuje budoucí směry výzkumu s cílem řešit energetické výzvy budoucnosti a slouží jako cenný zdroj pro další rozvoj oboru. Autoři nicméně uvádějí, že navzdory dosavadním pokrokům je pro plné využití potenciálu SACs nezbytné hlubší pochopení mechanismů probíhajících při reálných provozních podmínkách. To si vyžádá propojení spektroskopických a mikroskopických metod, které umožní zachytit dynamiku katalyzátorů během reakcí. Významnou roli sehraje také výpočetní modelování podpořené strojovým učením, které může urychlit objevování nových SACs a cíleně optimalizovat jejich vlastnosti pro konkrétní reakce.

Další slibnou cestou je integrace SACs do hybridních systémů, jako jsou fotoelektrokatalytická zařízení, která by mohla spojit výhody fotokatalýzy a elektrokatalýzy v jedné platformě a revolučně tak změnit produkci obnovitelné energie. Tyto procesy se teprve začínají zkoumat, ale mají potenciál přinést nové přístupy k výrobě zelených paliv i cenných chemických látek.

Článek s názvem Single Atom Engineering for Electrocatalysis: Fundamentals and Applications zohledňuje i výsledky projektů TECHSCALE z operačního programu Jan Amos Komenský a REFRESH z operačního programu Spravedlivá transformace.