Prírodovedecká fakultaUniverzita Komenského v Bratislave

Výskum heterogénnych katalytických reakcií za pomoci počítačových simulácií

Katedra: Katedra Fyzikálnej a teoretickej chémie

Špecializácia: Počítačové simulácie mechanizmov, kinetiky a termodynamiky katalytických reakcií

Som doktorandkou na katedre Fyzikálnej a teoretickej chémie, kde sa pod vedením môjho školiteľa doc. Ing. Tomáša Bučka, PhD. venujem počítačovým simuláciám heterogénnych katalytických reakcií.

Heterogénna katalýza v priemysle často nahrádza homogénnu katalýzu najmä pre svoje ekonomicky a ekologicky výhodné vlastnosti. Katalyzátory v tuhej fáze sú často nekorozívne a opakovateľne využiteľné, čo predstavuje nižšiu tvorbu odpadových látok v porovnaní s ich homogénnymi ekvivalentami. V prípade katalyzátorov v tuhej fáze je možné upraviť podmienky a chemické zloženie prekurzorov potrebných pri ich syntéze umožnujúc upraviť štruktúru katalyzátora za účelom zvýšenia aktivity, selektivity alebo predĺženia ich doby života. Požiadavka vysokej aktivity a selektivity je najmä v petrochemickom priemysle, kde sú často používané zeolitové katalyzátory v tuhej fáze.

Mechanizmy sprevádzajúce jednotlivé transformácie reakcií v tuhej fáze sú v súčasnej dobe predmetom mnohých diskusií. Kvôli zložitosti štruktúry katalyzátorov v tuhej fáze a experimentálnej nedostupnosti medziproduktov vytvorených v ich póroch a dutinách je popis procesov na molekulovej úrovni v zeolitoch často možný len pomocou teoretických výpočtov.  Vďaka rôznym počítačovým programom je možné všetky tieto mechanizmy aj vizualizovať. Na fotke je vizualizovaný tranzitný stav, ktorým prechádza reakcia terc-butanolu na izobuténu v zeolite Chabazit.

Táto reakcia je súčasťou reakčnej siete, v ktorej sú katalyzované reakcie butanolov na butény, pričom izobutanol je štartovacím bodom, kvôli tomu že sa v experimentálnych štúdiách ukázal byť vhodným nielen vďaka dostatočne dlhému reťazcu, ale aj vďaka jeho jednoduchej produkcii fermentáciou biomasy. Cieľom pri výrobe biopalív alebo palivových aditív z biomasy je získať energetickú efektivitu porovnateľnú s klasickými palivami, čo môže byť dosiahnuté pomocou transformácie vyšších alkoholov na alkény alebo étery.

Podrobné pochopenie a popísanie mechanizmov a procesov, ktoré sprevádzajú transformáciu alkoholov na alkény a vplyvu zeolitovej štruktúry by prispelo k dizajnu efektívnejších katalyzátorov s vyššou selektivitou pre žiadané produkty. Takýto adekvátny popis vyžaduje použitie sofistikovných kvantovo mechanických metód, ktoré sú časovo a výpočtovo veľmi náročné.

V našej práci sa zaoberáme nielen aplikáciou týchto metód, ale aj vylepšovaním starých zaužívaných metodologických postupov a vývojom nových: [1,2].

[1] T. Bučko, M. Gešvandtnerová, D. Rocca, Ab initio free energy calculations at multiple  electronic structure levels made affordable: An effective combination of perturbation theory and machine learning, J. Chem. Theory Comput. 16 (10) (2020) 6049–6060. doi: 10.1021/acs.jctc.0c00486

[2] M. Gešvandtnerová, D. Rocca, T. Bučko, Methanol carbonylation over acid mordenite: Insights from ab initio molecular dynamics and machine learning thermodynamic perturbation theory, Journal of Catalysis 396 (2021) 166–178. doi: 10.1016/j.jcat.2021.02.011