Sposób otrzymywania katalizatorów tlenkowych na osnowie eksfoliowanych glinokrzemianów warstwowych

Przedmiotem wynalazku jest metoda syntezy wielkopowierzchniowych katalizatorów tlenkowych na osnowie eksfoliowanych glinokrzemianów warstwowych, w których nanometryczne klastery tlenku metalu są wysoko zdyspergowane na powierzchni rozwarstwionego materiału glinokrzemianowego.
Pierwsze prace mające na celu wykorzystanie glinokrzemianów warstwowych jako katalizatorów w procesach przemysłowych (kraking węglowodorów) zostały rozpoczęte w pierwszej połowie XX wieku. Modyfikacja materiału glinokrzemianowego polegała na usunięciu obniżających aktywność katalityczną kationów metali alkalicznych z przestrzeni międzywarstwowych minerału poprzez traktowanie kwasem. W dalszych latach skoncentrowano się w badaniach na rozwinięciu powierzchni właściwej tych materiałów w celu zwiększenia ekspozycji centrów aktywnych. Modyfikację oparto na wprowadzeniu do przestrzeni międzywarstwowych środków powierzchniowo-czynnych tworzących micele i/lub interkalacji oligokationów metali (np. Ti, Zr, Al, Fe). W wyniku kalcynacji tak otrzymanych prekursorów, otrzymywano tzw. podpórkowane materiały warstwowe, w których uformowane klastery tlenkowe stanowiły rodzaj filarów międzywarstwowych utrzymujących stabilną strukturę warstwową oraz powodujących znaczny wzrost powierzchni właściwej. Następnie, wprowadzenie kationów metali przejściowych (np. Cu, Fe, Ni) do przestrzeni międzywarstwowej glinokrzemianu na drodze wymiany jonowej skutkowało zwiększeniem liczby powierzchniowych centrów aktywnych. Tego typu modyfikacja pozwoliła na wzrost aktywności glinokrzemianów warstwowych w procesach katalitycznych wymagających obecności centrów kwasowych oraz redoksowych, m.in. w usuwaniu tlenków azotu z gazów spalinowych (proces DeNOx), krakingu/hydrokrakingu katalitycznym węglowodorów, utlenianiu fenolu i związków aromatycznych w łagodnych warunkach ciśnienia i temperatury.
W ostatnich latach powstało wiele prac poświęconych modyfikacji naturalnych glinokrzemianów za pomocą polimerów hydrożelowych, prowadzącej do utworzenia kompozytów hydrożelowo-glinokrzemianowych. Kompozyty tego typu wykazują interesujące właściwości użytkowe, takie jak: podwyższona wytrzymałość mechaniczna, stabilność termiczna, biokompatybilność czy zdolność adsorpcji, w stosunku do czystych polimerów. Otrzymywane tą metodą nanokompozyty polimerowo-glinokrzemianowe testowane były dotąd głównie jako adsorbenty jonów metali ciężkich oraz barwników organicznych. Nieznane są jednak prace, które prezentowałyby możliwość wykorzystania tego typu nanokompozytów jako prekursorów układów tlenkowych przeznaczonych do zastosowań katalitycznych.
Opracowana, nowa metoda syntezy katalizatorów polega na obróbce termicznej nanokompozytów hydrożelowo-glinokrzemianowych poddanych uprzednio adsorpcji, w wyniku której do kompozytu wprowadzono określoną ilość kationów danego metalu przejściowego. Zaprezentowana, innowacyjna metoda pozwala na uzyskanie rozwarstwionego materiału glinokrzemianowego, na powierzchni którego zdeponowane są nanometryczne klastery tlenku metalu stanowiące dodatkowe centra aktywne, poprawiające znacząco właściwości katalityczne materiału.

Opracowany sposób syntezy katalizatorów na bazie kompozytów hydrożelowo-glinokrzemianowych może potencjalnie zostać zastosowany w produkcji katalizatorów do wielu procesów technologicznych (np. dehydrogenacja węglowodorów, usuwanie tlenków azotu na drodze redukcji amoniakiem bądź węglowodorami, utlenianie związków organicznych).
Obecność hydrożelu w strukturze kompozytu wpływa pozytywnie na jego pojemność sorpcyjną względem kationów metali przejściowych (np. Cu, Fe, Co, Ni) i umożliwia wprowadzenie do przestrzeni międzywarstwowych dowolnego rodzaju kationów lub mieszaniny kationów metali. Kalcynacja materiału kompozytowego poddanego sorpcji kationów danego metalu powoduje ponad 10-cio krotny wzrost powierzchni właściwej względem materiału wyjściowego, co umożliwia w założeniu ekspozycję maksymalnej liczby powierzchniowych centrów aktywnych katalitycznie i adsorpcyjnie, a tym samym poprawę ich aktywności. Istnieje zatem możliwość projektowania materiałów aktywnych katalitycznie w wielu reakcjach o znaczeniu przemysłowym, w których stosować można układy tlenkowe oparte na nośnikach kwasowych.
Promocję wynalazku prowadzi Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu na Uniwersytecie Jagiellońskim. Wynalazek był promowany na targach:
- Achema 2012, Frankfurt (18-22.06.2012)
- Nanofair 2012, Drezno (12-13.06.2012),
- Małopolskie Targi Innowacji, Kraków (12.10.2012)."

Katalizator, glinokrzemiany warstwowe, polimery hydrożelowe

Metoda znosi ograniczenia poprzednio opracowanej techniki podpórkowania, która była zawężona do wprowadzenia do modyfikowanego materiału ilastego jedynie tlenków metali tworzących trwałe oligokationy. Ponadto, zaproponowana metoda syntezy pozwala na uzyskiwanie bardzo szerokiej gamy faz tlenkowych rozproszonych na nośniku glinokrzemianowym. Posiadając hydrożelowo-glinokrzemianowy prekursor kompozytowy można w sposób kontrolowany przeprowadzić jego dalszą modyfikację wprowadzając do przestrzeni międzywarstwowych dowolny rodzaj kationów lub mieszaniny kationów metali. Dodatkową zaletą proponowanej innowacji jest względnie niski koszt syntezy, prowadzonej w rozpuszczalniku wodnym, w łagodnych warunkach temperatury i ciśnienia oraz bez konieczności stosowania uciążliwych dla środowiska środków powierzchniowo-czynnych.

- Twórca jest zainteresowany nawiązaniem współpracy w celu dalszych badań nad wynalazkiem
- Twórca jest zainteresowany wdrożeniem wynalazku
- Twórca wyraża zgodę na udział w Spotkaniu Brokerskim