Kataliza heterogeniczna

Początkowo rozwijana metodyka badań procesów adsorpcji i desorpcji cząsteczek sond i alkaliów z powierzchni ciał stałych, z wykorzystaniem układów próżniowych i wysokociśnieniowych, wyposażonych w spektrometry in situ FTIR oraz unikalne detektory jonizacji polowej i powierzchniowej, ustąpiła nowym tematom badawczym. Badania obecnie można umiejscowić na styku nauk biologicznych, chemicznych i inżynieryjnych.

Zespół specjalizuje się w badaniach spektroskopii in situ i operando oraz mikroskopii do badania katalitycznych ciał stałych w realistycznych warunkach. Podejście to zapewnia unikalny wgląd w mechanizmy działania i dezaktywacji procesów katalitycznych, a także w wewnętrzną architekturę stałych katalizatorów. Badania wykonywane są pod kątem ich aplikacji dla potrzeb istniejących procesów technologicznych (np. dopalania metanu, syntezy amoniaku, odwodornienia etylobenzenu) jak i poszukiwania nowych materiałów (np. materiały hybrydowe i funkcjonalne), nowych metod syntezy (np. zastosowanie plazmy niskotemperaturowej, elektroprzędzenia) i nowych rozwiązań reaktorowych (np. nowe struktury jako wypełnienia reaktorów).

"Jestem z tych, którzy wierzą, że Nauka jest czymś bardzo pięknym." Maria Skłodowska-Curie

Badania in situoperando
badania materiałów do
wykorzystania przemyśle

Synteza materiałów funkcjonalnych
Opracowanie metod syntezy
materiałów do zastosowań
w chemii, medycynie itp.

Inżynieria reaktorów
dla procesów ochrony środowiska

Oferta współpracy
z przemysłem i jednostkami naukowymi
w dziedzinie chemii materiałowej

Aktualnie tematykę katalizy heterogenicznej pokrywają projekty badawcze:

Obecnie badania realizowane są we współpracy z:

  • Instytutem Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach,
  • Wydziałem Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu w Bath (W. Brytania (prof. Kołaczkowski).
  • Wydziałem Ceramiki i Inżynierii Materiałowej AGH.

Więcej projektów badawczych

Tematyka badawcza

Opracowanie i wykorzystanie zaawansowanych metod spektroskopowych (in situ)

Ograniczenie poznania struktury powierzchni materiałów można pokonać można stosując cząsteczki sondy powierzchni i obserwując ich zachowanie za pomocą metod spektroskopii in situoperando (kilka metod spektroskopowych stosowanych jednocześnie z dodatkową analizą produktów gazowych).

Wśród dostępnych metod wykorzystujemy spektroskopię UV-Vis, w podczerwieni FTIR (Fourier Transformed Infrared Spectroscopy) oraz mikroskopia ramanowska, umożliwiająca śledzenie zmian w strukturze tlenku metalu. Komplementarnie mikroskopia Ramana i FTIR umożliwia ocenę struktury adsorbatów i produktów przejściowych reakcji. Spektroskopia UV/VIS używana będzie do oceny pracy wyjścia elektronów z tlenku, a zatem do klasyfikacji aktywności katalizatora.

W dziedzinie reakcji utleniania i redukcji, w jakiej się poruszamy, głównymi cząsteczkami sondami są cząsteczki metanu, metanol, a także tlenek węgla.

Katalityczna konwersja biomasy, metanu i tlenków azotu

Katalityczne dopalanie lotnych związków organicznych w ostatnich latach jest przedmiotem intensywnych badań naukowców. Ponieważ katalizatory powszechnie wykorzystywane w przemyśle, jako główny element aktywny zawierają metale szlachetne (np. platynę czy pallad) obecne badania dążą do minimalizacji udziału ww. metali oraz do budowy katalizatorów opartych na powszechnie dostępnych składnikach (a tym samym redukcji ceny końcowej katalizatora). Pożądana cecha katalizatora to głównie wysoka aktywność katalityczna. Obecne katalizatory są bardzo podatne na zatrucie poprzez niewłaściwie prowadzony proces spalania i wytwarzanie ubocznych produktów dopalania. Tym samym ich użycie wymaga wstępnej analizy gazów i eliminacji czynników mogących obniżyć ich aktywność. Pomimo wielu lat intensywnych badań mechanizm dopalania węglowodorów, prowadzonego na złożu katalizatora, nie jest do końca poznany. Dyskutowane obszernie w literaturze różne mechanizmy (ścieżki reakcji według Langmuir-Hinshelwooda, Marsa van Krevelena czy Eley-Rideala muszą znaleźć potwierdzenie poprzez badania powstających produktów pośrednich podczas procesu dopalania węglowodorów.

Inżynieria reaktorów katalitycznych

W dziedzinie katalizy zajmujemy się reaktorami strukturalnymi w procesach związanych z ochroną środowiska. Reaktory strukturalne to pomysł na zwiększenie parametrów transportu masy i ciepła reagentów, a także na dowolne powiększanie skali procesów, co jest zasadniczym problemem inżynierskim w projektowaniu procesów w dużej skali.

Wykorzystanie praktyczne tego typu struktur uzależnione jest od wynalezienia aktywnych nanokompozytowych katalizatorów, które sprostałyby zwiększonym właściwościom transportowym, a także precyzyjnych metod preparatyki katalizatorów o zadanej strukturze i właściwościach na podłożach metalowych (strukturalnych wypełnieniach reaktorów), które nie powodowałyby zmiany ich geometrii. Są to dwa główne zadania, którymi zajmuje się Zespół. Katalizatory oparte na tlenkach metali badane są pod kątem ich wykorzystania w procesach dopalania lotnych związków organicznych oraz redukcji tlenków azotu. Do nakładania materiału katalitycznego na podłoża stałe sprawdziły się dotychczas metoda filmów Langmuira oraz metoda plazmy niskotemperaturowej.

Rozwój katalizy heterogenicznej osiągnął poziom, na którym dla wielu procesów poprawa efektywności ich przebiegu zależy już jedynie od pokonania barier transportu ciepła, pędu i masy. W tradycyjnej katalizie heterogenicznej prowadzonej w złożach stałych w reaktorach rurowych, procesy transportu rozpatrywane są w skali narzuconej przez wymiar ziaren (>10-3 m). Zmniejszenie skali w konwencjonalnym reaktorze rurowym poprzez zmniejszanie jego średnicy (10-2 m) i wymiaru ziaren.

Mikrostrukturalne wypełnienia reaktorów wykonane są zwykle ze specjalnie ukształtowanych siatek, drutów lub blach o powierzchniach właściwych (geometrycznych) od 500 do ponad 10 000 m2/m3. Na odpowiednio spreparowanych powierzchniach takich wypełnień osadzana jest warstwa katalizatora o właściwościach odpowiadających wymaganiom danego procesu chemicznego.

W porównaniu z monolitami ceramicznymi, reaktory z wypełnieniem strukturalnym mogą zapewnić uzyskanie znacznie lepszych parametrów pracy. W szczególności można w nich uzyskać niższe opory dyfuzyjne i opory przepływu, mniejszą bezwładność cieplną oraz większą odporność na dezaktywację termiczną. Ich zaletą jest również to że, geometrię wypełnienia można zoptymalizować dla konkretnego procesu katalitycznego. Wykazano, że w mikrostrukturach siatkowych i krótko kanałowych, pracujących w obszarze rozwijającego się przepływu laminarnego i projektowanych dla reakcji dopalania węglowodorów, można uzyskać wysokie współczynniki transportowe przy niewielkich oporach przepływu, a także zasadniczo zmniejszyć wymiary reaktora. Dodatkowo mikrostruktury praktycznie eliminują możliwość osadzania się aglomeratów koksowych i zatykanie przez nie kanałów, co jest istotne w przypadku procesów związanych z konwersją węglowodorów.

Bardzo małe rozmiary kanałów w mikrostrukturach stawiają szczególne wymagania dla preparatyki katalizatora na ich powierzchni. Z punktu widzenia projektowania mikrostruktur, katalizator, z uwzględnieniem wszystkich warstw podkładowych, powinien spełniać trzy warunki:

  • posiadać niewielką, równomierną, ściśle kontrolowaną i powtarzalną grubość, aby umożliwić jej uwzględnienie już na etapie projektowania struktury,
  • wykazywać bardzo dobrą przyczepność do podłoża, trwałość mechaniczną i termiczną,
  • posiadać wysoką aktywność, dostosowaną do zwiększonych parametrów transportowych reaktora.

Te wymagania z góry eliminują wiele powszechnie stosowanych metod preparatyki.

Inżynieria molekularna materiałów katalitycznych

Synteza i charakterystyka materiałów porowatych o potencjale katalitycznym oraz z wykorzystaniem tlenków metali przejściowych. Koncentrujemy się na podstawowym zrozumieniu procesów tworzenia porowatych tlenków, rozwoju narzędzi spektroskopowych do oceny parametrów syntezy i aspektów strukturalnych materiałów. Stanowi to swoiste preludium do Inżynierii Materiałów Katalitycznych, gdyż korelacja właściwości strukturalnych materiałów z ich właściwościami katalitycznymi (wydajność, stabilność itd) pozwala na racjonalne projektowanie i tworzenie katalizatorów.

Funkcjonalne nanomateriały - projektowanie i charakterystyka

Nanotechnologia materiałów funkcjonalnych stanowi nową gałąź naszych zainteresowań, niemniej bardzo ekscytująca. Tematyka badawcza sprowadza się do opracowania nowych materiałów projektowanych w nanoskali (np. nanocząstki, nanowłókna) do zastosowań biologicznych, chemicznych i innych.

Oferta współpracy

Poszukujesz specjalistów do przeprowadzanie badań związanych z analizą materiałową, charakterystyką spektroskopową, katalizy bądź potrzebujesz konsultacji w prowadzeniu badań metodami instrumentalnymi? Napisz do nas!

Read more