Zeolity dnes představují nejdůležitější průmyslové katalyzátory

Jiří Čejka se svými spolupracovníky objevil a popsal novou metodu přípravy zeolitů, původně přírodních minerálů – hlinitokřemičitanů –, které svým chemickým složením připomínají obyčejnou zeminu, jejich význam je však dalekosáhlý. O důležitosti zeolitů i o cestě k zásadnímu objevu jsme hovořili s profesorem Jiřím Čejkou.

Proč je výzkum zeolitů tak důležitý?

Zeolity zásadním způsobem ovlivňují život dnešní společnosti. Setkává se s nimi každý, kdo používá prací prášky. Asi nejvýznamnější využití však mají při zpracování ropy. Například všude používané polymery se vyrábějí z jednoduchých stavebních jednotek, které se spojují – polymerizují –, a tyto základní stavební jednotky se získávají z ropy právě s pomocí zeolitů.

Jak vlastně příprava nového zeolitu probíhá a v čem je originální vaše metoda?

Normálně se zeolity připravují při teplotě 150–180 ⁰C, většinou ve vodném prostředí, tzn. v pevně uzavřené nádobě – tzv. autoklávu. K syntéze se použije nějaký zdroj křemíku a hliníku, přidá se vhodná organická molekula a za několik hodin, dnů či týdnů vznikne krásná krystalická struktura. My jsme objevili, že když se do zeolitu přidá germanium, zeolit ztrácí svoji vysokou stabilitu, protože nově vzniklé vazby germanium-kyslík jsou relativně slabé a může dojít k jejich rozrušení. Hydrolýzou dokážeme řízeně přerušit všechny tyto vazby, takže zůstanou jen jednotlivé vrstvy. Tyto vrstvy drží pohromadě pomocí tzv. vodíkových můstků, to jsou však již vazby, které jsou relativně slabé, takže my pak dokážeme s těmito vrstvami různě manipulovat. Umíme je od sebe oddálit a zafixovat je pevnou vazbou křemík-kyslík-křemík. Těmito posuvy jsme například z jediného zeolitu připravili šest nových.

Kolik nových zeolitů se vám již podařilo připravit?

Celkem jsme k tomuto okamžiku v našich laboratořích a ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou UK připravili asi patnáct nových zeolitů. Jinými slovy: od obdržení ceny Wernera von Siemense jsme připravili pět či šest dalších zeolitů. Mezinárodní zeolitovou asociací nám už byly uznány dva nové zeolity. Celosvětově je dnes uznáno asi 240 zeolitů.

Zohledňujete při přípravě nových zeolitů i to, zda a jak se uplatní v průmyslové praxi?

Zabýváme se především výzkumem adsorpce a katalýzy, což znamená, že připravujeme nové zeolity s předpokladem jejich brzkého uplatnění v praxi. Je však třeba si uvědomit, že z 240 uznaných zeolitů se jich v praxi ke katalýze používá asi deset. Plánování jejich konkrétního využití v praxi je tudíž ve fázi výzkumu velmi ošidné, platí totiž, že v průmyslu se často používají horší katalyzátory než ty nejlepší, protože jsou třeba levnější, snáze dostupné a není nutné měnit fungující technologii.

Jaký je současný stav průmyslové výroby zeolitů?

Roční celosvětová produkce zeolitů činí zhruba dva miliony tun, přičemž asi 70–80 % připadá na prací prášky, zbytek je katalýza ve speciálních aplikacích. V současné době zeolity na celém světě vyrábí několik desítek firem, z těch známých například ExxonMobil, BP, Johnson Mathey, Zeolyst, BASF nebo Süd-Chemie, přičemž v poslední době přibývají i čínští a japonští výrobci. Je tedy zcela zřejmé, že o tyto materiály je obrovský zájem. Ve světě existují stovky laboratoří, které se zabývají syntézou nových zeolitů. Mezinárodní zeolitová asociace každý rok uzná několik nových zeolitů. Zde je třeba dodat, že teoreticky předpověděných zeolitů jsou miliony a nám se jich podařilo připravit zatím jen 240, jsme tedy v jejich přípravě vlastně „strašně neúspěšní“ nebo, chcete-li, „zatím málo úspěšní“.

Můžete popsat, jak se rodil váš objev?

Výše popsaný způsob přípravy zeolitů se podařilo objevit někdy v letech 2010–2011. Na Přírodovědecké fakultě UK jej předpověděli na základě teoretických výpočtů, které naznačily, jak by se vrstvy daly posunovat a spojovat. Brzy poté jsme začali spolupracovat s profesorem Russellem Morrisem ze skotské University of St Andrews. Důvodem této spolupráce bylo to, že tyto materiály není úplně lehké přesně popsat, resp. u nás k tomu nemáme techniku. Prof. Morris má přístup k synchrotronu a dalším špičkovým technickým zařízením, takže nám v tomto ohledu poskytl vydatnou pomoc. K navázání těsnější spolupráce s prof. Morrisem napomohlo i to, že před dvěma lety MŠMT vypsalo velmi štědrou grantovou podporu projektům, jejichž řešitelům se podaří přivést do ČR alespoň na poloviční úvazek nějakého skvělého zahraničního odborníka. Kolegové z Přírodovědecké fakulty UK s prof. Russellem Morrisem tento projekt připravili a ve velké konkurenci uspěli. Přibližně do měsíce bychom díky tomuto grantu měli získat „supermikroskop“ za zhruba 50 milionů Kč, což představuje opět obrovský krok kupředu v našem výzkumu, a to v oblasti charakterizace materiálů. Jeden z mých studentů strávil u prof. Morrise rok na stáži a mikroskopii dnes výtečně rozumí, takže získané znalosti při práci s tímto novým přístrojem jistě zúročí.

Váš výzkum nepochybně vyžaduje širokou mezinárodní spolupráci; kdo jsou vaši nejbližší partneři?

V akademické sféře spolupracujeme jednoznačně nejtěsněji s výše uvedeným prof. Morrisem. Již několik mých studentů u něj absolvovalo několikaměsíční stáže. On zase bývá kvůli již zmíněnému projektu velmi často v České republice. Díky němu spolupracujeme ještě s několika institucemi, kde máme přístup k synchrotronu. Výbornou spolupráci máme s Alvarem Mayoralem z univerzity ve španělské Zaragoze, kde je velké evropské centrum mikroskopie. Úspěšně spolupracujeme také s nesmírně zkušeným „praktikem“ Wieslawem Rothem z Jagellonské univerzity v Krakově. V komerční sféře se nám dobře spolupracovalo například se Spolchemií z Ústí nad Labem.