1) Úvod do katalýzy

Obecný úvod do katalýzy a vymezení oblasti, které se předmět věnuje:

Cíle a záběr kurzu.

Stručná historie katalýzy – Nobelovy ceny v katalýze

Definice katalytické reakce - klasická (snížení akt. energie pomocí změny mechanismu) i teoretická (přesun reakce na jinou hyperplochu potenciální energie).

Základní pochody při katalytických reakcích (fyzikální a chemické kroky); obecný mechanismus; 7 kroků heterogenně katalyzované reakce.

Termodynamický aspekt katalýzy – katalyzátor neovlivní rovnováhu a proč. Teplotní vlivy na katalyzované reakce.

Základní pojmy v katalýze: aktivační energie, Arrheniova rovnice, reakční koordináta, předpoklad kvazi-stacionárního stavu a kvazi-stacionární stav, konverze, selektivita, TOF, TON, úvodní reakční rychlost, stabilita, environmentální faktor a kde se tyto pojmy uplatní.

Definice+příklady homogenní, heterogenní, enzymatická, fotokatalýza, elekrokatalýza. „Kurs se bude věnovat těmto dílčím oblastem s ohledem na jejich význam“.

Současné výzvy v katalýze; přechod k zeleným technologiím a obnovitelným zdrojům

2) Kinetika a termodynamika katalyzovaných reakcí

Rychlost určující krok, kinetické vs. difuzní řízení reakce, obecné podmínky pro dosažení kinetického režimu.

Difuze v katalyzátoru + definice a klasifikace pórů.

Úloha adsorpce v katalytické reakci, fyzikální adsorpce, chemisorpce (sila adsorpce a jeji mereni), izostericke teplo adsorpce, adsorpční a aktivní centrum, adsorpční isotermy (Henryho, Langmuirova, Freundlichova isoterma, BET).

Základní představy o mechanismech heterogenně katalytických reakcí (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen).

Langmuir-Hinshelwood - Ukázky, odvození jednoduchých kinetických rovnic pro základní typy těchto reakcí. Časové závislosti složení produktů pro různé typy reakcí.

Thieleho modul a efektivita využití katalyzátoru.

3) Heterogenní katalýza

Typy heterogenní katalyzátorů; složky katalyzátoru: aktivní fáze – nosič – pojivo - aktivátor

Nano – mikro – makro – měřítko reálného katalyzátoru

Aktivní centra v heterogenních katalyzátorech

Zeolity – struktura: základní stavební jednotky, systém pórů, atlas zeolitů; syntéza: hydrotermální syntéza, úloha templátu, mineralizační činidla (OH vs. F); povaha aktivních center: chemické složení zeolitů, kyselá centra; Bronstedovská a Lewisovská kyselost, iontoměničové vlastnosti, redoxní centra; příklady využití.

Oxidické a sulfidické katalyzátory

Raney kovy

Nosičové kovové katalyzátory – struktura: proč nosič?

Bifunkční katalyzátory – synergie nosiče a kovu, kovy v zeolitech, enkapsulace kovových nanočástic, kyselé+redox katalyzátory.

4) Homogenní katalýza (organocatalysis)

Obecné přístupy, pojmy TON a životnost katalyzátoru

Vybrané typy homogenních katalyzátorů – kyseliny, organometalické komplexy, chirální komplexy

Příklady využití s diskusí struktury katalyzátoru:

asymetrická hydrogenace, BINAP + úloha ligandů v OM komplexech

Hydroformylace

Ziegler-Natta katalyzátory, polymerace propylenu

Heterogenizace homogenních katalyzátorů: funkcionalizace katalytických nosičů, modifikace křemičitanových nosičů např. metalloceny (nejen) pro polymerizační reakce; 2-fazova katalýza

5) Enzymatická katalýza, foto a elektrokatalýza

Obecný přístup, TON a lifetime v enzymatické katalýze. Michaelisovská kinetika a obecný mechanismus enzymatických reakcí.

Praktické použití enzymů: Izomerizace cukrů s pomocí enzymů, imobilizace enzymu - enkapsulace

Inhibice enzymatických reakcí

6) Syntéza katalyzátorů + Charakterizace

Laboratorní měřítko – poloprovoz – průmyslová syntéza

Suroviny pro syntézu – rozdíl: laboratoř vs. skutečný proces

Metoda studia katalyzátorů:

Rentgenová difrakční analýza

Mikroskopie

MAS NMR

EXAFS/XANES

Infračervená spektroskopie

Chemická analýza

Adsorpční techniky

7) Katalytický experiment + Charakterizace

Co je cílem katalytického testu

Výzkumný vs. průmyslový katalyzátor

Základní představy o laboratorním katalytickém experimentu, schema aparatur, metodika přípravy experimentu, reaktory, sytiče, lineární dávkovače, dávkovací systémy

Základní typy reaktorů – parametry – délka a výška lože, velikost částic

Testy práce v kinetické vs. difuzní oblasti

Dezaktivace katalyzátorů

Metoda studia katalytických reakcí:

Chromatografie

Infračervená spektroskopie

Hmotnostní spektrometrie

In-situ a Operando přístupy

8) Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma