Významný krok na cestě k efektivnější a udržitelnější výrobě amoniaku představili vědci z CEITEC Energy na Vysokém učení technickém v Brně, CATRIN Univerzity Palackého a národního superpočítačového centra IT4innovations na VŠB-TUO ve studii publikované v prestižním časopise ACS Applied Materials & Interfaces. Při elektrochemické redukci dusičnanu na amoniak využili jako katalyzátor aktivovaný materiál na bázi kovově-organických sítí (MOF, z angl. Metal-Organic Framework). Právě tyto materiály se ukazují jako velmi vhodné pro zlepšení energetické náročnosti řady průmyslově významných reakcí, což vědci v tomto konkrétním případě prokázali jak teoretickými výpočty, tak experimentálně.
Elektrochemická redukce dusičnanu na amoniak patří mezi nadějná řešení pro zvládání výzev vyvolaných rostoucí energetickou poptávkou a snahou snižovat negativní dopady na životní prostředí. Dusičnany, které se řadí mezi běžné znečišťující látky například ve vodách, mohou také sloužit jako vhodný zdroj dusíku při syntéze amoniaku. Amoniak je významný průmyslový produkt, ale jeho výroba je velmi energeticky náročná, s přibližně dvouprocentním dopadem na celosvětové emise oxidu uhličitého. Vědci proto zaměřili pozornost na zkoumání nových elektrokatalytických materiálů, které dovedou přeměnu dusičnanu na amoniak urychlit.
„Kovově-organické sítě jsou intenzivně studované materiály, které mají široké využití. Náš tým se zaměřil na schopnost MOF obsahujících železo katalyzovat, tedy urychlit elektrochemickou přeměnu dusičnanů na amoniak. Kolegové z Brna ukázali, že studovaný katalyzátor dosahuje ohromující devadesátiprocentní účinnosti a posouvá hranice v této oblasti elektrokatalýzy. Objasnění mechanismu pomocí náročných počítačových simulací jsme prováděli na KAROLINĚ, v současnosti nejvýkonnějším superpočítači v ČR. Pochopení mechanismu totiž nabízí unikátní pohled, který lze v budoucnu využít k dalšímu zlepšování této třídy katalyzátorů,“ uvedl jeden z autorů článku Michal Otyepka z CATRIN a IT4Innovations.
Práce jasně ukazuje, jak se vzájemně skvěle doplňují poznatky z experimentů a počítačových simulací. Integrace výpočetních a experimentálních přístupů patří mezi jeden z pilířů projektu TECHSCALE, který cílí na vývoj nových materiálů a přístupy, které výrazně posunou současné hranice výzkumu v oblasti nanomateriálů až na návrh nových materiálů s atomovou přesností.
„Díky skvěle fungující spolupráci jsme získali komplexní informace nejen o chování, ale zejména o dalším potenciálu tohoto materiálu. Jsou to důležitá zjištění pro efektivnější a šetrnější redukci odpadních dusičnanů na amoniak, ale otevírají také nové možnosti pro výzkumníky, kteří by chtěli upravit nebo povrchově modifikovat materiály k přípravě elektrokatalyzátorů pro další průmyslově významné katalytické reakce,“ zdůraznil Martin Pumera z CEITEC Energy v Brně, který tento výzkum vedl.
Publikace je také jedním z prvních výstupů projektu TECHSCALE, jenž získal finanční podporu téměř 500 milionů korun ve výzvě Špičkový výzkum z operačního programu Jan Amos Komenský a v konkurenci téměř stovky projektů dosáhl druhého nejvyššího hodnocení. Cílem výzkumníků je vyvíjet nové nanomateriály a technologie, které přispějí k řešení dvou aktuálních globálních výzev, jimiž je získávání a ukládání obnovitelné energie a vývoj nových materiálů pro zlepšení kvality života. Součástí projektu bude také posuzování společenských dopadů a přijetí nových technologií ze strany veřejnosti. Při řešení projektu se pod vedením fyzikálního chemika Michala Otyepky propojí výzkumníci z CATRIN a pěti fakult Univerzity Palackého s vědci z Univerzity Karlovy a CEITEC VUT.