Katalizatorji za heterogeno katalizo

Pojasnite vlogo katalizatorjev v kemijskih procesih.
Opišite površinsko strukturo katalizatorjev.
Določite možne korake ki omejujejo hitrost reakcije.
Definirajte aktivna mesta.
Pojasnite, zakaj so le določeni površinski atomi katalitično aktivni.
Povežite strukturo katalizatorja z njegovim katalitičnim delovanjem.
Razlikujte med pogostimi katalitskimi mehanizmi.
Analizirajte eksperimentalne kinetične podatke.
Izberite ustrezne metode karakterizacije.
Interpretirajte osnovne podatke karakterizacije.
Prepoznajte pogoste mehanizme deaktivacije katalizatorjev.
Povežite načela katalize z industrijskimi procesi.

Za uspešno osvajanje snovi je potrebno predhodno znanje, ki ga študentje pridobijo pri predmetih Kemija materialov in Funkcionali materiali.

1. Uvod v katalizo
   (Definicija katalize in osnovna terminologija)

2. Katalizatorske trdne snovi in površinska struktura
   (Površinska energija in preoblikovanje površine, kovinski katalizatorji, oksidni katalizatorji, zeoliti in porozni materiali, naneseni (podprti) katalizatorji)

3. Elementarne stopnje v heterogeni katalizi
   (Zunanji prenos snovi, notranja difuzija, adsorpcija, površinska reakcija, desorpcija, transport produktov)

4. Aktivna mesta in povezava med strukturo in aktivnostjo
   (Definicija aktivnih mest, površinski defekti, stopnice, robovi in ogljišča, elektronski učinki, interakcije med kovino in nosilcem, redoks aktivna mesta)

5. Mehanizmi katalitskih reakcij
   (Langmuir–Hinshelwoodov mehanizem, Eley–Ridealov mehanizem, Mars–van Krevelenov mehanizem)

6. Kinetika heterogene katalize
   (Hitrostni izrazi, vpliv pokritosti površine, navidezna aktivacijska energija, reakcijski redi)

7. Metode karakterizacije katalizatorjev
   (Rentgenska difrakcija, elektronska mikroskopija, karakterizacija površine, specifična površina in poroznost, spektroskopske metode, temperaturno programirane metode)

8. Deaktivacija in regeneracija katalizatorjev
   (Nastajanje koksa, zastrupljanje, sintranje, obraščanje oziroma nalaganje nečistoč na površino)

9. Industrijske in novejše uporabe katalize
   Industrijski primeri
   (Sinteza amonijaka po Haber–Boschevem postopku, fluidni katalitski kreking (FCC), sinteza metanola, avtomobilski katalizatorji za čiščenje izpušnih plinov)

Nastajajoča področja
(Fotokataliza, induktivno ogrevani reaktorji, uporaba CO₂ kot surovine, proizvodnja zelenega H2)

Znanje in razumevanje:
Razumevanje heterogene katalize.
Razumevanje osnovnih lastnosti heterogenih katalizatorjev.
Znanje o oblikovanju in razvoju industrijskih katalizatorjev.

• G. Ertel, H. Knozinger, F. Schuth, J. Weitkamp, Handbook of Heterogeneous Catalysis, Wiley, Weinheim, 2008. E-gradivo
• E. Roduner, Understanding catalysts, TUTORIAL REVIEW ChemSocRev 2014. https://doi.org/10.1039/C4CS00210E
• Izbrane spletne strani in pregledni znanstveni članki za posamezna področja objavljeni v zadnjih petih letih

• Ustni izpit.
• Javna predstavitev in zagovor seminarja

Dr. Petar Djinović, pridruženi profesor (ranga izredni profesor) za področje Materialov, višji znanstveni sodelavec na Kemijskem inšitutu. Raziskuje na področju heterogene katalize, in sicer sinteze, karakterizacije in aplikacije kovinskih in oksidnih nanomaterialov kot katalizatorjev v učinkovitih procesih pretvorbe ogljikovega dioksida, npr. proizvodnje sinteznega plina iz metana in ogljikovega dioksida, hidrogenacija CO2 do metana in pretvorbe ogljikovodikov (reakcije dehidrogenacije in selektivne oksidacije). V zadnjem času vse več pozornosti posveča uporabi in-situ in operando karakterizacijskih spektroskopskih tehnik za spremljanje dinamičnega obnašanja katalizatorjev med potekom kemijskih reakcij.

1. OKORN, Miha, LORBER, Kristijan, MAZAJ, Matjaž, NOVAK TUŠAR, Nataša, DJINOVIĆ, Petar. Simultaneous photoactivation of copper and Ti-doped CeO2−x enables optimal acceleration of the RWGS reaction. Carbon energy. 2025. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/cey2.70102, DOI: 10.1002/cey2.70102.

2. LORBER, Kristijan, SHVALYA, Vasyl, ZAVAŠNIK, Janez, VENGUST, Damjan, ARČON, Iztok, HUŠ, Matej, PAVLIŠIČ, Andraž, TERŽAN, Janvit, CVELBAR, Uroš, LIKOZAR, Blaž, DJINOVIĆ, Petar. Non-oxidative calcination enhances the methane dry reforming performance of Ni/CeO2−x catalysts under thermal and photo-thermal conditions. Journal of materials chemistry. A. 2024. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta01823k, DOI: 10.1039/D4TA01823K.

3. LORBER, Kristijan, ZAVAŠNIK, Janez, SANCHO-PARRAMON, Jordi, BUBAŠ, Matej, MAZAJ, Matjaž, DJINOVIĆ, Petar. On the mechanism of visible-light accelerated methane dry reforming reaction over Ni/CeO2−x catalysts. Applied catalysis. B, Environmental. 2022. https://dirros.openscience.si/IzpisGradiva.php?id=14939, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120745.

4. LORBER, Kristijan, DJINOVIĆ, Petar. Accelerating photo-thermal CO2 reduction to CO, CH4 or methanol over metal/oxide semiconductor catalysts. iScience. 2022. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222003777, DOI: 10.1016/j.isci.2022.104107.

5. DJINOVIĆ, Petar, ZAVAŠNIK, Janez, TERŽAN, Janvit, JERMAN, Ivan. Role of CO2 during oxidative dehydrogenation of propane over bulk and activated-carbon supported cerium and vanadium based catalysts. Catalysis letters. 2021. https://link.springer.com/article/10.1007/s10562-020-03519-y, DOI: 10.1007/s10562-020-03519-y.