Aby zwiększyć szybkość reakcji możemy: (1) Zwiększyć stężenie substratów (2) Podnieść temperaturę (3) Obniżyć energię aktywacji kataliza

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Aby zwiększyć szybkość reakcji możemy: (1) Zwiększyć stężenie substratów (2) Podnieść temperaturę (3) Obniżyć energię aktywacji kataliza"

Zuzanna Stankiewicz
7 lat temu
Przeglądów:

1 kataliza

2 Aby zwiększyć szybkość reakcji możemy: (1) Zwiększyć stężenie substratów (2) Podnieść temperaturę (3) Obniżyć energię aktywacji kataliza Bez katalizatora Z katalizatorem

3 Katalizator Substancja, która przyspiesza reakcję i nie zostaje zużyta w trakcie katalizowanej reakcji. Enzym Duża cząsteczka (zwykle białko) katalizująca reakcje biologiczne. Katalizę dzielimy na: Homogeniczną: katalizator stanowi tą samą fazę jak substraty. Heterogeniczną: Katalizator stanowi oddzielną fazę niż substraty.

4 przykłady procesów katalitycznych Rozkład wody utlenionej przebiega powoli: 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) Mechanizm: Dodatek KI przyspiesza reakcję step 1: H 2 O 2 (aq) + I (aq) H 2 O (l) + IO (aq) etap limitujący step 2: H 2 O 2 (aq) + IO (aq) H 2 O (l) + O 2 (g) + I (aq) szybko 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) Szybkość reakcji = k [H 2 O 2 ] [I ]

5 podobny efekt wywołują jony Br - bez katalizatora z katalizatorem Energia

6 Enzymy katalizatory biologiczne najczęściej enzymy są białkami o masie cząsteczkowej od 10 4 do 10 6 amu nitrogenaza

8 enzym amylaza substrat: sacharoza uwolnienie produktów związanie sacharoza rozkład sacharozy kompleks aktywny

9 Kataliza heterogeniczna i adsorpcja Mechanizm Langmuira-Hinshelwooda (LH) r = kθ A Θ B Mechanizm Eleya-Rideala (ER) r = kθ A p B

10 Opracowanie katalizatora do rozkładu N 2 O od badań podstawowych do zastosowań przemysłowych Andrzej Kotarba Zjazd absolwentów Wydziału Chemii UJ

11 GWP (N 2 O) = 300 WGP (CO 2 ) Global Warming Potential

12 52.9% 4.4% 8.4% 15.1% źródła antropogeniczne w Polsce 18.8% Odpady Spalanie paliw Przmysł chemiczny Odchody Gleby rolne ppb emisja N 2 O

O: 250-270 kj/mol stabilny kinetycznie katalizator do

13 den 2 O 2N 2 O 2N 2 + O 2 G 0 = -163 kj/mol niestabilny termodynamicznie rozkład termiczny T > 900K energia wiązania N O: kj/mol stabilny kinetycznie katalizator do instalacji HNO 3 X > 90% dla T < 350 C odporność na inhibitory (H 2 O, O 2, NO x )

14 schemat operacyjny przy opracowaniu katalizatora den 2 O obliczenia DFT (mechanizm reakcji, energetyka etapów, ustalenie RDS) synteza, weryfikacja składu i charakterystyka układów modelowych funkcjonalny model katalizatora testy laboratoryjne walidacja układu modyfikacja składu zgłoszenia patentowe testy w warunkach rzeczywistych badania katalizatorów po testach

15 mechanizm rozkładu N 2 O transfer tlenu / transfer elektronu mechanizm anionowy N 2 O (g) N 2 O (ads) MgO N 2 O (ads) + O 2 O N 2 2O 2 2 O 2 2 O2 + 2O 2 mechanizm kationowy N 2 O (g) + Co 2+ N 2 O (ads) + Co 3+ N 2 O (ads) O (ads) + N 2 2O (ads) O 2 + 2e e - Co/Mg MgO

16 mechanizm den 2 O na powierzchni MgO transfer tlenu dyfuzja O 2 2- O 2 2- rekombinacja O 2 desorpcja

17 laboratoryjne testy aktywności p / mbar N 2 O N 2 O T / C

18 wpływ morfologii MgO na rozkład N 2 O 0,005-1 m -2 n N 2 O / mo ol min 0,004 0,003 0,002 0,001 SSR 52(2003) d / nm

19 grupy OH - na powierzchni MgO TPD-H 2 O -33,1-24,2 p H2O /a.u. MgO den 2 O + H 2 O -37,6 kcal/mol T/ C pasma OH - v IR /cm -1 tarasy krawędzie i naroża

20 ocena aktywności centrów redoks e -

21 rozkład katalityczny N 2 O 2N 2 O 2N 2 + O H = 163 kj mol C = X C 0 exp( kt C = 1 C s ) 1,2 1,0 C 0,8 0 E R k A e T = a konwersja N2O 0,6 0,4 0,2 dane eksperymentalne model X = 1 e t s A e E a R T 0, T /K reakcja pierwszego rzędu

22 modelowanie kinetyczne rozkładu N 2 O N2O conversion X N e = 1-2O X 2 = 1 e N O t s A e Ea R T C SV C = C 0 = u z z = C e T T /K fit k X = = e A e e 1 t C = 1 C s kt s E a RT 0 k z u z

23 optymalizacja MgO M 0.05 Mg 0.95 O (Mn 2+, Fe 2+, Co 2+, Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+ ) od tlenków modelowych do katalizatora rzeczywistego Co 3 O 4 CuCo 2 O 4 ZnCo 2 O 4 NiCo 2 O 4 współstrącanie (K 2 CO 3 ) Co 2.26 Ni 0.74 O 4 Co 2.25 Ni 0.70 Ca 0.05 O 4 Co 2.23 Ni 0.67 Ca 0.1 O 4 Co 2.21 Ni 0.59 Ca 0.2 O 4 Co 2.4 Zn 0.6 O 4 Co 2.5 Zn 0.5 O 4 Co 2.6 Zn 0.4 O 4 Co 2.8 Zn 0.2 O 4 Co 2.9 Zn 0.1 O 4 Co 2.4 Zn 0.3 Ni 0.3 O 4 Co 2.4 Zn 0.3 Cu 0.3 O 4 LaCoO 3 LaFeO 3 LaNiO 3 La 0.6 Ce 0.4 CoO 3 La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 La 0.66 Ce 0.17 Sr 0.17 CoO 3 metoda cytrynianowa La 0.6 Ce 0.4 CoO 3 /support Zr-Ce Co 2.55 Zn 0.35 Ca 0.1 O 4 Co 2.1 Zn 0.4 Ni 0.4 Ca 0.1 O 4 Co 2.1 Zn 0.2 Ni 0.6 Ca 0.1 O 4

24 mechanizm den2o na powierzchni Co3O4

25 K 2 CO 3 / KOH preparatyka katalizatora strącanie ph 9 przemywanie odsączenie suszenie 100 C roztwór azotanów przesiewanie 0.3 mm ph mm test katalityczny impregnacja + kalcynacja kalcynacja

26 aglomeraty ~100 nm, krystality ~ 20 nm charakterystyka katalizatora

27 aktywność dotowanego Co 3 O 4 N 2 O conversion Co 2.4 Ni 0.3 Zn 0.3 O 4 Co 2.25 Ni 0.75 O 4 Co 2.6Zn 0.4 O 4 100% 75% 50% 25% X (N 2 O) % 100% 80% 60% 40% 20% 0% Co 2.4 Zn 0.3 Cu 0.3 O 4 Co 2 CuO 4 Co-Zn Co-Ni Co-Cd Co-Mg Co-Cu Co-Mn T ( C) 0% T/ C 5% N 2 O/He 5% N 2 O/He +1% H 2 O

28 korelacja aktywności i pracy wyjścia dla serii Co 3-x Zn x O 4 E a /kj mol -1 CPD/V x poziom dotacji Zn

29 optymalizacja katalizatora spinelowego - dotacja alkaliami K 2 CO 3 precursor Φ = ε 0 KOH precursor µ n K 1+ 9 α n 3 2 K K 2 CO 3 precursor

30 model powierzchni katalizatora efekt elektronowy i geometryczny

31 optymalizacja 3D Zn- i K- promowany Co 3 O 4 domieszkowanie strukturalne i powierzchniowe

32 testy stabilności w instalacji pilotowej

Nagrodzeni naukowcy Uniwersytetu Jagiellońskiego (od lewej) mgr Filip Zasada, dr hab Andrzej Kotarba, mgr Paweł Stelmachowski, prof.

ociepleniem klimatu będzie łatwiejsza dzięki rewolucyjnemu odkryciu naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Zbigniew Sojka, szef zespołu, który pracował nad wynalazk iem.

Emitowany jest głównie przez rolnictwo i fabryki kwasu azotowego, których w Polsce mamy cztery.

Chociaż naukowcy z powodu rozmaitych obowiazków na uczelni nie mogli siedzieć non stop w laboratorium, nad katalizatorem spędzili

Naukowcy prowadzili badania teoretyczne i doświadczalne.

- Każdy krok, niskotemperaturowego rozkladu podtlenku który nas zbliżał do opracowania katalizatora, był witany z entuzjazmem -

Katalizator został wyrósniony złotym medalem na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków IVIS 2008 w Warszawie oraz brazowym medalem na T ec

33 Nagrodzeni naukowcy Uniwersytetu Jagiellońskiego (od lewej) mgr Filip Zasada, dr hab Andrzej Kotarba, mgr Paweł Stelmachowski, prof. Zbigniew Sojka, dr Andrzej Adamski ( archiwum prywatne) Edyta Tkacz :44:23, aktualizacja: :45:04 Walka z ociepleniem klimatu będzie łatwiejsza dzięki rewolucyjnemu odkryciu naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Opracowali oni katalizator do rozkładu podtlenku azotu, czyli urządzenie, które niweluje groźny dla środowiska gaz. I zebrali za to międzynarodowe nagrody. - Żeby wytłumaczyć, do czego służy katalizator, najpierw trzeba wyjaśnic, czym jest podtlenek azotu - zaznacza prof. Zbigniew Sojka, szef zespołu, który pracował nad wynalazk iem. I tłumaczy, że jest to jeden z gazów, który przyczynia się trzysta razy bardziej niż dwutlenek węgla do efektu cieplarnianego. Emitowany jest głównie przez rolnictwo i fabryki kwasu azotowego, których w Polsce mamy cztery. N auk ow cy Un iw ers yt et u Jagielloń skiego wspólnie z bada cza mi z Praca nad urządzeniem trwała trzy lata. Chociaż naukowcy z powodu rozmaitych obowiazków na uczelni nie mogli siedzieć non stop w laboratorium, nad katalizatorem spędzili długie godziny. Razem Instytutu Nawozów Sztucznych w Pulawach z nimi pracowali badacze z Instytutu Nawozów Sztucznych w Puławach. Naukowcy prowadzili badania teoretyczne i doświadczalne. o p r ac o w al i k a ta li z at o r do - Nie było żadnego nagłego olśnienia, tylko systematyczna praca - mówi prof. Sojka. - Każdy krok, niskotemperaturowego rozkladu podtlenku który nas zbliżał do opracowania katalizatora, był witany z entuzjazmem - podkreśla. azotu - informuje Centrum Innowacji Transferu Te trzy lata pracy bynajmniej nie poszły na marne. Katalizator został wyrósniony złotym medalem na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków IVIS 2008 w Warszawie oraz brazowym medalem na T ec h n o lo g ii i R oz w o ju U n u we r s y te t u. Światowej Wystawie Innowacji, Badan Naukowych i Nowoczesnej Techniki Brussels Innova - EUREKA Contest 2008 w Brukseli. Wynalazek zostal wyrózniony zlotym medalem Mimo to prof. Sojka podkreś la, ze jeszcze nie czas na szam-pana i wielkie swietowanie. na Miedzynarodowej Wystawie Wynalazków - Aby podtlenek nie trafiał do atmosfery, trzeba go rozłozyc - wyjasnia prof. Sojka. - I do tego właśnie służy katalizator - dodaje jeden z wynalazców. - Pełny sukces ogłosimy wtedy, gdy katalizator będzie powszechnie stosowany w przemyśle - mówi.

dyplomy i medale zgłoszenia patentowe P-386890 (2008)

rozkładu podtlenku azotu P-385251 (2008) Katalizator do

PCT/PL2009/000050 (2009) Catalyst for low-temperature

34 dyplomy i medale zgłoszenia patentowe P (2008) Sposób wytwarzania katalizatora do niskotemperaturowego rozkładu podtlenku azotu P (2008) Katalizator do niskotemperaturowego rozkładu podtlenku azotu PCT/PL2009/ (2009) Catalyst for low-temperature decomposition of dinitrogen oxide and a process for the preparation thereof

35 Wydział Chemii UJ Zbigniew SOJKA Andrzej ADAMSKI Witold PISKORZ zespół badawczy Paweł STELMACHOWSKI Filip ZASADA Gabriela MANIAK INS Puławy Marek INGER Marcin WILK

Podobne dokumenty

Aby zwiększyć szybkość reakcji możemy: (1) Zwiększyć stężenie substratów (2) Podnieść temperaturę (3) Obniżyć energię aktywacji kataliza

kataliza Aby zwiększyć szybkość reakcji możemy: (1) Zwiększyć stężenie substratów (2) Podnieść temperaturę (3) Obniżyć energię aktywacji kataliza Bez katalizatora Z katalizatorem Katalizator Substancja,