Zkoumání kyselosti zeolitů: integrovaný přístup kombinující cílenou syntézu, pokročilou spektroskopii, výpočetní modelování a katalytické hodnocení

• Thesis title in Czech: Zkoumání kyselosti zeolitů: integrovaný přístup kombinující cílenou syntézu, pokročilou spektroskopii, výpočetní modelování a katalytické hodnocení
• Thesis title in English: Unraveling Zeolite Acidity: An Integrated Approach Combining Tailored Synthesis, Advanced Spectroscopy, Computational Modelling and Catalytic Evaluation
• Key words: zeolity; kyselost; infračervená spektroskopie; nukleární magnetická rezonance; katalýza
• English key words: zeolites; acidity; infrared spectroscopy; nuclear magnetic resonance; catalysis
• Academic year of topic announcement: 2025/2026
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Supervisor: doc. Mariya Shamzhy, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 29.09.2025
• Date of assignment: 29.09.2025
• Advisors: doc. Maksym Opanasenko, CSc.

Guidelines

Physical Chemistry for International Students II [MC260P133]
Zeolites and Molecular Sieves [MC260P90]
Catalysis in Practice [MC260P138]

References

P.W. Atkins, J. de Paula: Atkins' Physical Chemistry, 8th Edition, W. H. Freeman and Company, New York, (2006)
J. Čejka, R.E. Morris, P. Nachtigall 'Zeolites in Catalysis', RSC (2017)
J. M. Thomas, W. J. Thomas 'Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis', 2nd Edition, Wiley-VCH (2015)

Preliminary scope of work

Zeolity jsou klíčovými heterogenními kyselými katalyzátory v petrochemickém zpracování i v nově se rozvíjejících udržitelných technologiích díky své nastavitelné struktuře a dobře definovaným Brønstedovým a Lewisovým kyselým centrům. Přesná charakterizace jejich kyselosti je zásadní, přičemž adsorpce pyridinu monitorovaná pomocí in situ infračervené spektroskopie představuje dlouhodobě uznávanou referenční metodu. Od svého vývoje v 60. letech však tato metoda vykazuje určitá omezení, například nadhodnocování koncentrace Lewisových kyselých míst, nejednoznačný teplotní vývoj pásů a dimerizaci sondovacích molekul, která komplikuje interpretaci spekter.
Tento doktorský projekt, společně vedený Univerzitou Karlovou a Univerzitou v Aveiru (Dr. L. Mafra), si klade za cíl objasnit tyto dlouhodobé nejasnosti týkající se kyselosti zeolitů prostřednictvím integrovaného experimentálně-výpočetního přístupu.
K dosažení tohoto cíle je doktorské studium rozděleno do čtyř specifických cílů:
1) Cílená syntéza zeolitů s různým poměrem Brønstedových a Lewisových kyselých míst, obsahem heteroatomů a strukturou (Univerzita Karlova).
2) Analýza adsorpce pyridinu na těchto materiálech pomocí tří komplementárních metod: in situ infračervené spektroskopie jako standardní referenční techniky, NMR spektroskopie v pevné fázi pro lokalizované jaderné rozlišení a neelastického rozptylu neutronů pro sledování ohybových vibrací protonů (Univerzita Karlova / Univerzita v Aveiru).
3) Simulace interakcí adsorbátu se zeolitem pomocí meziatomového potenciálu založeného na strojovém učení, který umožní předpověď NMR/IČ spekter a usnadní jejich interpretaci (Univerzita Karlova).
4) Vyhodnocení katalytické aktivity zeolitů pomocí modelových reakcí zvolených tak, aby rozlišily Brønstedova, Lewisova a slabě kyselá centra a umožnily korelaci spektroskopických dat s katalytickým chováním (Univerzita Karlova).
Spolupráce mezi Univerzitou Karlovou a Univerzitou v Aveiru poskytuje nepostradatelný rámec pro tento interdisciplinární projekt, propojující komplementární vybavení a odborné znalosti v oblasti syntézy zeolitů, in situ charakterizace a výpočetního modelování.

Preliminary scope of work in English

Zeolites are key solid acid catalysts in petrochemical refining and emerging sustainable technologies due to their tunable frameworks and well-defined Brønsted and Lewis acid sites. Accurate characterization of their acidity is crucial, with pyridine adsorption coupled with in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) serving as the long-standing benchmark. However, since its development in the 1960s, this method has shown persistent limitations, including overestimation of Lewis acid site concentrations, ambiguous temperature-dependent band evolution, and probe molecule dimerization that complicates spectral interpretation.
This PhD project, jointly supervised in Charles University and the University of Aveiro (Dr. L. Mafra), aims to resolve these long-standing ambiguities in zeolite acidity through an integrated experimental-computational approach.
To achieve this goal, the PhD programme is divided into 4 specific objectives:
1) To synthetize tailored zeolites with distinct Brønsted/Lewis acid sites, heteroatom content and framework geometries (Charles university).
2) To analyze pyridine adsorption onto these materials using three complementary techniques: in situ FTIR spectroscopy, as the standard benchmark technique; solid-state NMR, for site-specific nuclear resolution; and Inelastic Neutron Scattering to focus on proton bending vibrations (Charles university/ University of Aveiro).
3) To simulate adsorbate-zeolite interactions using a machine learning interatomic potential predicting NMR/FTIR spectra to aid spectral assignment (Charles university).
4) To assess the catalytic performance of zeolites using model reactions specially chosen to differentiate between Brønsted acid sites, Lewis acid sites and weakly acidic structural defects to cross-validate the spectral data with catalytic behaviour (Charles university).
The collaboration between Charles University and the University of Aveiro provides indispensable framework for this interdisciplinary project, linking complementary facilities and expertise in zeolite synthesis, in situ characterization, and computational modelling.