Vědci vyvinuli materiál, který umožňuje výrobu chemikálií s využitím slunce a vody

V oblasti organické chemie, farmaceutického průmyslu či agrochemie hrají zásadní roli tzv. hydrogenační reakce, které využívají pro přeměnu organických látek plynný vodík a probíhají za vysokých teplot a tlaků. Jsou tak ekonomicky velmi nákladné a ekologicky problematické díky vysoké spotřebě energie a emisím oxidů uhlíku. Mezinárodní tým vědců z Česka, Německa a Číny vyvinul s použitím nanotechnologií a atomárního inženýrství materiál, který dokáže přeměnit široké spektrum organických látek na požadované produkty za běžných podmínek pouze s pomocí sluneční energie a vody jako zdroje protonů. Na designu materiálu a objasnění mechanismu jeho fungování se významně podíleli vědci z Centra energetických a environmentálních technologií (CEET) na VŠB – Technické univerzitě Ostrava a Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého v Olomouci.  Práci zveřejnil prestižní časopis Advanced Materials.

Hydrogenační reakce jsou součástí stovek chemických výrob v agrochemii, farmacii, průmyslové chemii a řadě dalších oblastí s celkových trhem v objemu desítek miliard dolarů. Nalezení nových chemických cest k redukci organických látek, které by probíhaly za nízkých teplot a tlaků a bez nutnosti použití plynného vodíku, představuje obrovskou vědeckou i průmyslovou výzvu. Jedním z možných řešení je využití vody jako zdroje protonů a vhodných fotokatalyzátorů, které by umožnily efektivní přeměnu organických látek s použitím sluneční energie, bez nutnosti aplikovat plynný vodík a energeticky náročné podmínky.

„Bohužel doposud známé a používané fotokatalyzátory nedokáží dosáhnout výtěžky, které jsou potřebné v průmyslové škále a trpí také omezenou selektivitou, tedy nedokáží usměrnit chemickou reakci k požadovaným produktům. Často také vyžadují spolupůsobení dalších činidel, jako je například aktivace vody hořčíkem a jsou použitelné pouze na omezené množství organických reakcí,“ shrnul slabá místa stávajících materiálů Radek Zbořil působící v CATRIN a CEET.

„Při vývoji nového typu fotokatalyzátoru jsme se rozhodli zkombinovat naše zkušenosti v oblasti nanotechnologií a atomárního inženýrství. Ve spolupráci se zahraničními kolegy jsme navrhli a připravili materiál obsahující nanočástice ruthenia ukotvené ve dvourozměrné matrici nitridu uhlíku, přičemž v blízkém okolí nanočástic byly zabudovány izolované atomy paladia v různých oxidačních stavech. Díky synergickému účinku všech komponent dokázal nový materiál přeměnit široké spektrum organických látek na požadované produkty s mimořádně vysokou výtěžností i selektivitou. To otevírá dveře k průmyslovým aplikacím,“ dodal Zbořil

Autoři studovali nejprve použití samotných nanočástic ukotvených ve struktuře nitridu uhlíku a také účinnost jednotlivých atomů zabudovaných ve stejné fotokatalytické matrici. V obou případech dosáhli relativně nízkých výtěžků, nicméně pomohla jim náhoda.

„Všimli jsme si, že pokud ve velmi blízkém okolí nanočástic byly jednotlivé atomy paladia v různých oxidačních stavech, výtěžnost reakcí šla rapidně nahoru. Cíleně jsme potom navrhli a připravili takový kombinovaný systém, v němž jednotlivé atomy paladia přitahují fotogenerované díry pro oxidaci vody, zatímco nanočástice usnadňují přenos vodíku na nenasycené vazby organických molekul. Jedná se o unikátní koncept synergie nanotechnologií a atomárního inženýrství, který může změnit katalytické procesy v organické chemii s obrovským aplikačním potenciálem v příbuzných odvětvích včetně farmacie nebo agrochemie,“ uvedl Giorgio Zoppellaro působící také v CATRIN a CEET, který se klíčově podílel na objasnění mechanismu fungování unikátního materiálu.

Vědecké týmy CATRIN a CEET pod vedením prof. Zbořila se ve spolupráci s kolegy z německého Lebnizova ústavu pro katalýzu (LIKAT) věnují hydrogenačním reakcím dlouhodobě a v minulosti publikovali řadu přelomových prací zaměřených především na nové technologie výroby aminosloučenin (např. Chandrashekhar et al. Nature Catal. 2022; Cheruvathoor Poulose et al. Nature Nanotech. 2022).