Kataliza na dodiru faza

Tvar koja nas okružuje dolazi u različitim stanjima. Tako imamo tvari u čvrstom, tekućem i plinovitom stanju kao tri najučestalija primjera. Često korišteni sinonim za stanje tvari u znanstvenim krugovima je faza. Moja istraživanja su se gotovo isključivo odvijala na sučelju dviju faza, tekuće i čvrste. Ovo sučelje se često pojavljuje u prirodi i primjeni, primjerice u baterijama, membranama, geološkim sustavima i katalizi. Zadnja spomenuta primjena je bila u fokusu mog doktorata. Kataliza je proces u kojem molekula omogućava brže odvijanje kemijske reakcije, a da pritom ta molekula ostane nepromijenjena. Stručni naziv za spomenutu molekulu je katalizator. U svom radu sam proučavao katalizu reakcije izmjene vodenog plina, od velike važnosti u industriji vodika, na dodiru čvrste i tekuće faze.

Reakcija izmjene vodenog plina je pretvorba ugljikova monoksida i vode u ugljikov dioksid i vodik. Ova reakcija obično prati reformaciju pare, gdje se zagrijavanjem prirodnog plina i vode oslobađaju velike količine vodika i ugljikova monoksida. Sprega ove dvije reakcije se koristi za proizvodnju gotovo 95% svjetskih zaliha vodika. Međutim, potrebno je uložiti velike dodatne napore da se vodik pročisti od zaostalog ugljikovog monoksida. Njegova prisutnost je problematična jer se može vezati na katalizatore u daljnjim primjenama vodika i time ih onesposobiti. U Erlangenu je razvijena metoda za provođenje reakcije izmjene plina u kojoj je konverzija ugljikova monoksida gotovo potpuna. U toj metodi reakcija se odvija u tankom sloju ionske tekućine (sol koja je tekućina na sobnoj temperaturi zbog visoke asimetrije sastavnih iona) vezane na čvrstu površinu (npr. safir). Ovakav tip reaktora se često naziva SILP reaktor. Iako je pokazano da je ova varijanta reakcije izmjene plina veoma efikasna, potrebno je izvesti dodatne optimizacije da bi mogla ući u širu industrijsku primjenu. A da bi olakšali sam proces optimizacije, važno je odgovoriti na sljedeća pitanja: Koji je aktivni oblik katalizatora u reaktoru? Koji je molekularni mehanizam reakcije? Koje su ključne pretvorbe koje uzrokuju razliku u efikasnosti u odnosu na tradicionalne implementacije? Postoje li još neke vrste koje imaju povoljan utjecaj na odvijanje reakcije? Odgovore na ova pitanja nije moguće dati samo eksperimentalnim pristupom, već kombinacijom teorijskih proračuna koje sam sam provodio i eksperimenta koje su izvodili suradnici.

Katalizatori, reaktanti, i produkti su sastavljeni od velikog broja manjih elementarnih čestica kao što su elektroni, protoni i neutroni. U kemijskoj reakciji dolazi do pucanja i formiranja novih veza, odnosno redistribucije elektrona. Preciznije, u prostorima gdje veza puca dolazi do smanjenja elektronske gustoće, a gdje se nova formira, dolazi do povećanja iste. Predviđanje ponašanja elementarnih čestica kao što su elektroni zahtijeva teorije bazirane na kvantnoj mehanici. Nažalost, za sustave s više elektrona, kao što su molekule, nije moguće pronaći opće rješenje diferencijalne jednadžbe koja opisuje njihovo ponašanje. Stoga ljudi pribjegavaju aproksimacijama i lukavim trikovima da se konstruiraju numerička rješenja koja će dobro opisivati fizikalnu stvarnost. Pritom uvijek treba paziti na balans između preciznosti rješenja i računalnih resursa potrebnih da se dođe do rješenja. Isti pristup je korišten i u mom radu da bi izračunali čitav niz fizikalnih svojstava, kao što su vibracijski spektri raznih molekula, količina topline koja se oslobodi ili absorbira u pojedinim transformacijama, efekt otapala na reakciju, utjecaj zamjene vodika deuterijem na brzinu reakcije itd. Usporedbom i kombinacijom rezultata proračuna s eksperimentalnim mjerenjima uspjeli smo odgovoriti na pitanja iz prethodnog poglavlja.

Pokazalo se da je substanca odgovorna za katalizu (Slika 1) reakcije izmjene plina u SILP reaktoru negativno nabijeni kompleks prijelaznog metala rutenija na koji su vezani atomi klora i molekule ugljikova monoksida. Pronađen je i uzrok zašto je u ovoj implementaciji stupanj konverzije veći, a on se nalazi u znatno olakšanoj formaciji kompleksa iz kojeg se otpušta vodik. Također je identificirano da se reakcija odvija u pet koraka (Slika 2) u kojima su prve dvije pretvorbe energetski najnepovoljnije, i time čine idealna mjesta za dodatnu optimizaciju reakcije. Priča je zaključena time što je pokazano da i drugi metalni kompleksi, bazirani na bakru, mogu u kombinaciji s postojećim katalizatorom imati značajan povoljan učinak na efikasnost reakcije. Fuzijom ovih saznanja riješen je misterij ovog važnog sustava na dodiru faza. Pritom je demonstrirana snaga kombiniranog teorijskog i eksperimentalnog pristupa da se dobije vrlo detaljan uvid u priču svijeta koji je oku nevidljiv. Štoviše, s ubrzanim povećanjem računalne snage sve više teorijskih metoda dolazi u doticaj s eksperimentima, tako da je ova priča tek početak, a puno toga nas još čeka.

Robert Stepić
https://www.linkedin.com/in/robertstepic/