Katalyzátory jsou jednou z těch věcí, o kterých málokdo přemýšlí, snad kromě středoškolské chemie, ale díky nim svět funguje. Téměř vše v každodenním životě závisí na katalyzátorech: auta, poznámkové bločky, prací prášky, pivo.

Katalyzátory jsou všude kolem nás.

Katalyzátory jsou jednou z těch věcí, o kterých málokdo moc přemýšlí, snad kromě středoškolské chemie, ale díky nim svět funguje. Téměř vše v každodenním životě závisí na katalyzátorech: auta, poznámkové bločky, prací prášky, pivo. Všechny části vašeho sendviče, sýr čedar, pečený krocan. Katalyzátory rozkládají papírovinu, aby vznikl hladký papír ve vašem časopise. Každý večer čistí vaše kontaktní čočky. Mění mléko na jogurt a ropu na plastové kelímky od mléka, CD a cyklistické přilby.

Co je to katalýza?

Katalyzátory urychlují chemickou reakci tím, že snižují množství energie potřebné k jejímu spuštění. Katalýza je základem mnoha průmyslových procesů, které využívají chemické reakce k přeměně surovin na užitečné produkty. Katalyzátory jsou nedílnou součástí výroby plastů a mnoha dalších průmyslových výrobků.

Na katalyzátorech funguje i lidské tělo. Mnoho bílkovin v těle jsou vlastně katalyzátory zvané enzymy, které dělají vše od vytváření signálů, které pohybují končetinami, až po pomoc při trávení potravy. Jsou skutečně základní součástí života.

Malé věci mohou mít velké výsledky.

Ve většině případů potřebujete jen malé množství katalyzátoru, abyste dosáhli změny. Dokonce i velikost částice katalyzátoru může změnit průběh reakce. V loňském roce tým z Argonne, jehož členem byl i materiálový vědec Larry Curtiss, zjistil, že jeden stříbrný katalyzátor je ve svém úkolu lepší, když je v nanočásticích širokých jen několik atomů. (Katalyzátor mění propylen na oxidy propylenu, což je první krok při výrobě nemrznoucích směsí a dalších produktů).

Může dělat věci ekologičtějšími.

Průmyslové výrobní procesy plastů a dalších nezbytných předmětů často produkují nepříjemné vedlejší produkty, které mohou představovat nebezpečí pro lidské zdraví a životní prostředí. Lepší katalyzátory mohou pomoci tento problém vyřešit. Například stejný stříbrný katalyzátor ve skutečnosti produkuje méně toxických vedlejších produktů, takže celá reakce je šetrnější k životnímu prostředí.

Katalyzátor je ve své podstatě způsob, jak ušetřit energii. A použití katalyzátorů ve velkém měřítku by mohlo světu ušetřit spoustu energie. Tři procenta veškeré energie, která se v USA ročně spotřebuje, jdou na přeměnu etanu a propanu na alkeny, které se mimo jiné používají k výrobě plastů. To odpovídá více než 500 milionům barelů benzinu.

Katalyzátory jsou také klíčem k uvolnění biopaliv. Veškerá biomasa – kukuřice, switchgrass, stromy – obsahuje houževnatou sloučeninu zvanou celulóza, která se musí rozložit, aby se z ní dalo vyrobit palivo. Nalezení dokonalého katalyzátoru pro rozklad celulózy by zlevnilo biopaliva a učinilo je životaschopnějším obnovitelným zdrojem energie.

Často netušíme, proč fungují.

Přesné důvody, proč katalyzátory fungují, jsou pro vědce často stále záhadou. Curtiss pracuje v oblasti výpočetní katalýzy: využívá počítače k řešení složité souhry fyziky, chemie a matematiky, která vysvětluje, jak katalyzátor funguje.

Jakmile vědci zjistí, jak proces funguje, mohou se pokusit vytvořit katalyzátor, který bude fungovat ještě lépe, a to tak, že budou simulovat, jak by místo něj mohly fungovat různé materiály. Potenciální konfigurace nových katalyzátorů mohou jít do tisíců kombinací, a proto si s nimi nejlépe poradí superpočítače.

Když Edison konstruoval žárovku, testoval doslova stovky různých vláken (pravděpodobně zkoušel i trpělivost svých laborantů), než objevil karbonizované vlákno. Využitím superpočítačů a moderních technologií mohou vědci urychlit roky testování a nákladů, aby se dostali k průlomovému objevu.

Curtiss provádí simulace na superpočítači Blue Gene/P v Argonne, aby navrhl možné nové katalyzátory. „Jak se superpočítače zrychlují, jsme schopni dělat věci, které bychom před deseti lety nikdy nebyli schopni udělat,“ řekl.

Mohly by mít zásadní význam pro další velkou revoluci v oblasti baterií.

Nové účinné lithium-iontové baterie pomohly přeměnit neohrabané automobilové telefony na štíhlé a elegantní mobilní telefony a notebooky, které jsou k dispozici dnes. Vědci však již hledají další revoluci v bateriích, díky níž by jednou mohla být baterie dostatečně lehká a výkonná, aby dokázala ujet 500 kilometrů na jedno nabití. Slibnou myšlenkou jsou lithium-vzduchové baterie, které jako hlavní složku využívají vzdušný kyslík. Tato nová baterie však bude vyžadovat úplné přepracování vnitřní chemie a k jejímu fungování bude zapotřebí nový výkonný katalyzátor. Lithium-vzduchová baterie funguje tak, že spojuje atomy lithia a kyslíku a pak je znovu a znovu rozděluje. To je situace jako šitá na míru katalyzátoru a dobrý katalyzátor by reakci urychlil a zvýšil účinnost baterie.

Jak vyrobit nový katalyzátor?

Prvním krokem je pochopení chemie reakcí; poté mohou vědci pomocí modelování navrhnout potenciální nové katalyzátory a nechat je otestovat v laboratoři. Tento první krok je však obtížný, pokud se nemůžete dostat až na atomární úroveň, abyste viděli, co se během reakce děje. V tomto směru zazáří velká vědecká zařízení, jako je pokročilý fotonový zdroj (APS) v Argonne.

V APS mohou vědci využívat nejjasnější rentgenové záření ve Spojených státech a sledovat reakce v reálném čase. V laboratorním centru elektronové mikroskopie vědci pořizují fotografie atomů během jejich reakce. Curtiss a jeho tým využili obě tyto metody při hledání lepších katalyzátorů.

.