Heterogenní katalýza Úvod do studia katalýzy
Obsah : Seznámení s katalýzou Příklady katalýzy z praxe Teorie a pojmy v katalýze Speciální temata v katalýze Praxe katalýzy katalytický experiment Techniky pro studium katalýzy
Jak je katalýza důležitá? Doplňte příklady : 1... Katalýza v průmyslu 2... Katalýza v chemické laboratoři 3... Katalýza v životním prostředí 4... Katalýza v živých organismech 5...?
Doplňte : 3... 4... 5...
Jak katalýza funguje? nekatalyzovaný děj katalyzovaný děj G akt G R G akt, katal Výchozí látky Přechodový komplex Produkty Reakční koordináta Přech. komplex : A + (K) A-K B-K B + (K)
Jak se katalýza dělí? 1... Podle fáze : homogenní x heterogenní 2... Podle typu katalyzátoru : katalýza na kovech katalýza na oxidech, sulfidech,.. katalýza na acidobazických katalyzátorech 3... Podle povahy katalyzátoru : katalýza na vodičích katalýza na polovodičích katalýza na isolátorech
Příklady průmyslově aplikované katalýzy / katalyzátor : SO 2 SO 3 výroba H 2 SO 4 kontaktním způsobem / V 2 O 5 N 2 + H 2 NH 3 Výroba NH 3 podle Boshe-Habera / α-fe, K 2 O 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O H 4 + H 2 O O + 3H 2 Ostwaldův proces / Pt-Rh steam reforming / Raney Ni 3 H 6 x H y Polymerizace / katalyzátory Ziegler-Natta NO N 2,O 2, O O 2, x H y O 2,H 2 O / automobilové katalyzátory
Příklady katalýzy z praxe
Příklad z průmyslu : Syntéza amoniaku, Haber-Boschův způsob : 3H 2 + N 2 2NH 3 Katalyzátor : α-fe-(fe 2 O 3 )-Al 2 O 3 Způsob slouží následně : k výrobě kyseliny dusičné, dusičnanů, a navazujících produktů dříve : z hileského ledku
Ložiska přírodních dusičnanů jsou vzácná např. hile San Pedro de Atacama Před 1914 - námořní doprava 1914-1918 námořní blokáda Německa Vynález nové výroby Ovlivnil průběh I.svět války
Příklad z průmyslu : Rafinerie ropy :
Příklad z průmyslu : Rafinerie ropy isomerizační jednotka :
Heterogenní Katalýza aplikace o dělá automobilový katalyzátor? 1. de-nox NO N 2 + O 2 2. O O 2 O 2 3. x H y H 2 O + O 2 O 2
Teorie a pojmy v katalýze
Heterogenní Katalýza S jakými teoriemi pracuje katalýza, co je aktivní centrum? Příklady : Jaké povahy jsou aktivní centra Kyselá Bazická Red-ox Velký povrch = velká aktivita? ne celý povrch musí být Ne vždy! Překvapení aktivní Koncepce aktivního centra
Heterogenní Katalýza o je to katalytický cyklus? Příklad : rozklad N 2 O N 2 O N 2 + O-katal. D Katal. A O-katal. + O-katal. O 2 O-kat. + N 2 O N 2 + O 2 B O-kat. + N 2 O 2 NO katal. A + B + D O-kat. + NO NO 2
Při zvýšení T o 10 vzroste reakční rychlost V průměru 2-3x Pozn. pod čarou : o je to light-off T?
Heterogenní Katalýza Jaký je vliv nástřiku na katalýzu, co je zatížení? Z obyčejné kinetiky : Řád reakce Molekularita
Heterogenní Katalýza Jaký je vliv stárnutí katalyzátoru, co je deaktivace? Tvorba koksu Změna fází Uvolňování složek
Speciální temata v katalýze katalýza na zeolitech
Katalýza na zeolitech o je to molekulové síto - zeolit?
Katalýza na zeolitech Uplatnění zeolitu s ionty kobaltu o-fer v de-nox : NO NO 2 N 2 H 4 O 2 O 2 H 2 O NO + H 4 + O 2 N 2 + O 2 + H 2 O
Praxe katalýzy katalytický experiment
Jak se aktivita katalyzátorů měří? katalytická aparatura: část pro přípravu část s vlastním reaktorem analytická část reakční směsi
Techniky uplatňující se v katalýze : Analýza reakční směsi, plynová chromatografie, G : M.S.vet, 1906 : Současnost :
Isomerace Heptanu :
Isomerace Heptanu : Příklad z laboratorní praxe : Nástřik : Výstup : Zadání : Signal (mv) 3 2 1 0-1 Heptan 72.36 mv.s -1 iso-heptany Heptan 29.6 mv.s -1 36.0 mv.s -1 Jaká je konverze? =... Jaký je výtěžek v isomerizaci? =... Jaká je selektivita na isomerizaci a na krakování? -2 =... 45.0 47.5 50.0 52.5 Time (min) 45.0 47.5 50.0 52.5 Time (min) Katalyzátor : Pt/W-ZrO 2 Reakční podmínky : 250, nástřik - 1% Heptanu
Techniky pro studium katalýzy
Techniky uplatňující se v katalýze : Studium struktury :
Techniky uplatňující se v katalýze : Studium struktury, difrakce : Princip metody : Jakou informaci nám poskytuje? X-rays Technické provedení : XRD, Metoda Debye-Scherrerova
Techniky uplatňující se v katalýze : Spektroskopie v oblasti viditelného záření : UV-Vis Princip metody : Technické provedení : Jakou informaci nám dává?
Techniky uplatňující se v katalýze : Spektroskopie v infračervené oblasti : co je to FT IR? Princip : Technické provedení : Jakou informaci nám dává?
Techniky uplatňující se v katalýze : Elektonová paramagnetická rezonance : co je to EPR? Princip : Technické provedení : Jakou informaci nám dává?
Techniky uplatňující se v katalýze : Hmotová spektroskopie : co je to MS? Princip : Technické provedení : Jakou informaci nám dává?
Techniky uplatňující se v katalýze : Hmotová spektroskopie : co je to MS? Princip : Technické provedení : Jakou informaci nám dává?
Techniky uplatňující se v katalýze : Teplotně programované techniky : co je TPD,TPR, co je kyselost povrchů? Princip : Technické provedení : Jakou informaci nám dává? Flowcontroller Detector Příklad výsledku : NH 3 -TPD signal (mv) 10 weak strong 5 acid sites 0 100 200 300 400 500 600 700 T ( )
Závěry
Závěry : Jak se pracuje v katalýze? Výzkum Optimalizace Inženýrství
Závěry : Katalýza je důležitý obor fyzikální chemie - chemické kinetiky Katalýza má široké uplatnění v praxi, výzkumu materiálů, v průmyslu,... Katalýza zasahuje a bude v budoucnu stále více zasahovat do mnoha směrů moderního výzkumu nanotechnologie bio-mimiking energy sources...