Speciální číslo o jednoatomových katalyzátorech s dvojí účastí CATRIN
Hned dva články autorů z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) si mohou přečíst zájemci v posledním čísle časopisu Advanced Materials Interfaces. Navíc obálku speciálního vydání zaměřeného na jednoatomovou katalýzu zdobí ilustrace Martina Pykala z CATRIN.
Deriváty grafenu slouží jako vhodná platforma pro ukotvení jednotlivých atomů kovů, které lze využít jako stabilní a účinné takzvané jednoatomové (z angl. single-atom) katalyzátory (SAC). Nutnou podmínkou pro jejich stabilní funkci je vytvoření pevné vazby mezi atomy kovů a uhlíkovým substrátem, čímž se zabrání shlukování atomů kovů do větších částic a s tím souvisejícímu snížení katalytické aktivity materiálu. S návrhem SAC účinně pomáhají výpočetní chemici, kteří dokáží předurčit stabilitu i reaktivity těchto katalyzátorů.
V článku nazvaném Anchoring of Transition Metals to Graphene Derivatives as an Efficient Approach for Designing Single‐Atom Catalysts se výpočetní chemici z CATRIN zaměřili na pevnost vazeb mezi deriváty grafenu a třemi skupinami přechodných kovů, a sice triádou železa, lehkými platinovými kovy a mincovními kovy.
„Zjistili jsme, že síla vazby mezi těmito kovy a deriváty grafenu úzce souvisí s přenosem náboje mezi nimi. Grafen se chová jako jakýsi rezervoár elektronů, které se mohou přesunout do energeticky níže položených prázdných orbitalů atomů kovů, nebo se naopak z těchto orbitalů přemístit na grafen. Množství takto přeneseného náboje závisí na konkrétním kovu a jeho oxidačním stavu. Kovy s vyšším oxidačním stavem mají prázdné orbitaly položené energeticky níže než kovy s nižším oxidačním stavem, proto se do jejich orbitalů může přenést větší množství náboje a jejich vazba se substrátem je tak pevnější,“ vysvětlila první autorka práce Dagmar Zaoralová.
Zjednodušeně si lze celý proces představit jako spojené nádoby: elektrony putují z π-konjugovaných vazeb grafenu do orbitalů kovu nebo naopak, dokud se hladina (energie nejvýše obsazených orbitalů substrátu a kovu) nevyrovná. Takto se u většiny kovů navázáním na deriváty grafenu změní oxidační číslo na nějakou konkrétní hodnotu bez ohledu na původní oxidační číslo kovu.
„Tato komunikace kovu se substrátem by mohla být velice zajímavá při uplatnění těchto materiálů jako katalyzátorů, ale i v dalších například elektrochemických a spintronických aplikacích,“ doplnila Zaoralová.
Vědci z CATRIN se spolu s kolegy ze zahraničí podíleli na článku The Hallmarks of Copper Single Atom Catalysts in Direct Alcohol Fuel Cells and Electrochemical CO2 Fixation, v němž navrhli SAC s využitím atomů mědi.
Jednoatomový katalyzátor sestávající z mědi kovalentně vázané ke kyanografenu nabízí účinné urychlení například elektrochemické redukce oxidu uhličitého. „Jedná se o významnou reakci umožňující přeměnu skleníkového plynu za pomocí elektřiny na užitečnou chemickou látku, kterou lze dlouhodobě skladovat a využít později například jako palivo. Výzkum v této oblasti zapadá do naší dlouhodobé strategie, v rámci níž se věnujeme udržitelné a uhlíkově neutrální energetice,“ uvedl Michal Otyepka.
Možnost pevně ukotvit jednotlivé atomy kovů na grafenový skelet a následné využití v katalýze byla pro vědce donedávna naprosto iluzorní představa. Vědci působící v CATRIN však našli univerzální způsob, který umožňuje ukotvit jednotlivé atomy na grafen a využít je pro katalýzu. Dokázali tak propojit výhody homogenní a heterogenní katalýzy a naopak potlačit některé jejich slabé stránky. Poprvé tuto technologii publikovali v roce 2019 v časopise Advanced Materials (Bakandritsos A. et al., Advanced Materials 2019, 31, 1900323).