Principles and Methods of Hetoregeneous Catalysis - MC260P38

• Title: Principy a metody heterogenní katalýzy
• Czech title: Principy a metody heterogenní katalýzy
• Guaranteed by: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2019 to 2023
• Semester: winter
• E-Credits: 3
• Examination process: winter s.:
• Hours per week, examination: winter s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: 3
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: prof. Ing. Jiří Čejka, DrSc.
• Teacher(s): prof. Ing. Jiří Čejka, DrSc.; Michal Mazur, Ph.D.; Ing. Jan Přech, Ph.D.

Annotation

English

Last update: Ing. Jan Přech, Ph.D. (25.02.2019)

Modern world is mostly based on products of chemical industry. According to current estimates, about 85% of all processes in chemical industry are catalysed by solid heterogeneous catalysts. The aim of the course is to provide the students with basic information about catalysis and application of heterogeneous catalysts in laboratory as well as in industry. The understanding of the functioning of catalysts, their behaviour during the catalytic reactions, synthesis approaches for their preparation and mechanisms of catalytic reactions are dicussed in a detail. In addition, experimental techniques frequently used in catalysis are also highlighted.

Czech

Last update: prof. Ing. Jiří Čejka, DrSc. (06.06.2019)

Moderní svět v současné době stojí z velké části na produktech chemického průmyslu a podle současných odhadů je přibližně 85% všech chemických procesů katalyzováno nějakým typem heterogenního katalyzátoru. Proto je cílem kurzu seznámit studenty se základními informacemi o katalýze jako takové a o využití heterogenních katalyzátorů v laboratoři a v průmyslu. Důraz je kladen zejména na pochopení funkce katalyzátoru a jeho chování v katalytických reakcích, možnosti přípravy, mechanismy katalytických reakcí a využití experimentálních technik ke studiu katalyzátorů a průběhu katalytických reakcí.

Literature

Last update: Ing. Jan Přech, Ph.D. (25.02.2019)

Industrial Catalysis: chemistry and mechanism, Imperial College Press, London, 2016

Chemical Process Technology, Wiley, Chichester, 2001

Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1991

Catalysis - An Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis, Elsevier, Amsterdam 2000.

Spectroscopy in Catalysis - J.H. Niemasnverdriet, VCH Berlin 1995.

Industrial Catalysis - J. Hagen, Wiley-VCH Weinheim 1999.

Syllabus

English

Last update: Ing. Jan Přech, Ph.D. (25.02.2019)

 

 

10. Průmyslové procesy

FCC, SCR, NH3, HDS

11. Vybrané kapitoly z oblasti homogenní a enzymatické katalýzy. 

Hydroformylace, asymetrická hydrogenace, izomerace cukrů s pomocí enzymů, Michaelisovská kinetika. 

12. Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma (může být zařazena kdykoliv po absolvování úvodních 5-ti přednášek)

1. Introduction to catalysis and heterogeneous catalysis

2. Kinetics of heterogeneously catalyzed reactions

3. Preparation of heterogeneous catalysts

4. Active site and its role in catalysis

5. Characterization of catalysts by experimental techniques

6. Catalytic experiment

7. Acid and base catalysis, catalysis over molecular sieves

8. Redox catalysis

9. Metal surface catalysis

10. Important industrial processes 

11. Selected topics on homogenous and enzymatic catalysis

12. Talk of an expert from industrial practice on selected topic (can be included at any time during the course)

 

Czech

Last update: Ing. Jan Přech, Ph.D. (25.02.2019)

1. Úvod do heterogenní katalýzy

Obecný úvod do katalýzy a vymezení oblasti, které se předmět věnuje. Chemická kinetika - rychlostní rovnice, řád reakce, molekularita reakce; elementární reakce, reakce monomolekulární, bimolekulární, následné, zpětné.

Základní pojmy v katalýze a fyzikálně chemická podstata katalýzy , aktivační energie, Arrheniova rovnice, srážková teorie, teorie aktivovaného komplexu, reakční koordináta, konverze, selektivita, výtěžek

Typy heterogenních katalyzátorů (reprezentativní přehled – kyselé, bazické (zeolity), kovové katalyzátory (Raney kovy), kovové nosičové katalyzátory, heteropolykyseliny. Výzkumný vs. Průmyslový katalyzátor. Návrh katalyzátoru.

2. Kinetika heterogenně katalytických reakcí

Základní pochody při heterogenně katalytických reakcích (fyzikální a chemické kroky), rychlost určující krok reakce, úloha adsorpce v katalytické reakci, fyzikální adsorpce, chemisorpce, adsorpční a aktivní centrum, adsorpční isotermy (Langmuirova isoterma, Freundlichova isoterma, BET)

Základní představy o mechanismech heterogenně katalytických reakcí (Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Eley, Mars-van Krevelen). Ukázky, odvození jednoduchých kinetických rovnic pro základní typy těchto reakcí. Časové závislosti složení produktů pro různé typy reakcí.

Difuze v reálném katalyzátoru, Thieleho modul a efektivita využití katalyzátoru.

3. Příprava a struktura vybraných typů katalyzátorů

Syntéza a modifikace katalyzátorů, hydrotermální syntéza zeolitů a úloha organických templátů při hledání nových strukturních typů zeolitů.

Příprava kovových katalyzátorů.

Funkcionalizace katalytických nosičů, modifikace křemičitanových nosičů např. metalloceny (nejen) pro polymerizační reakce.

4. Aktivní centrum

Možnosti aktivace molekul

Kyselost a její charakterizace, Broenstedovská a Lewisovská kyselost, vliv kyselosti a typu center na průběh acidobazických reakcí, superkyseliny, tvrdost a měkkost kyselin.

Redox centra - základní představy a reakčních mechanismech při oxidační katalýze (radikálové reakce, Mars-van Krevelen, peroxy skupiny). Aktivní centra v metalocenech nejen pro polymerace.

5. Charakterizace katalyzátorů s použitím instrumentálních technik

Základní experimentální metody a jejich použití v heterogenní katalýze:

Studium pevné fáze - XRD, MAS NMR, FTIR, mikroskopie, povrchové techniky, sorpční měření, kalorimetrie (kombinace technik - XRD-kalorimetrie), "in-situ" techniky, TPR, TPD

6. Katalytický test - experimentální vybavení, provedení testu, hodnocení

Základní představy o katalytickém experimentu, rozvaha katalytického experimentu, schema aparatur, metodika přípravy experimentu, reaktory, kinetická a difuzní oblast, sytiče, lineární dávkovače, dávkovací systémy.

Dezaktivace katalyzátorů

7. Kyselá a bazická katalýza, katalýza na molekulových sítech

Příklady důležitých heterogenně katalytických procesů v acidobazické katalýze, vysvětlení reakčních mechanismů,Vysvětlení základních pojmů z basické katalýzy, reakční mechanismy, typy reakcí. Odlišnost od reakcí katalyzovaných kyselinami.

Objasnění základních vztahů mezi strukturou, vlastnostmi a katalytickým chováním zeolitických molekulových sít v kyselé, basické a redox katalýze. Tvarová selektivita.

Case study: izomerace a alkylace aromatických uhlovodíků

8. Redox katalýza

Základní mechanistické představy o oxidaci různých typů organických molekul pomocí kyslíku nebo organických peroxidů, úloha reakčního prostoru a typu oxidačního činidla.

Case study: Selektivní oxidace na titanosilikátech.

9. Katalýza na kovech a oxidech

Základní představy o metodách ke studiu povrchu kovů a oxidů, příklady katalýzy na kovech, oxidech kovů, na kovech na nosičích.

Case study: Katalytická hydrogenace

10. Průmyslové procesy

FCC, SCR, NH3, HDS

11. Vybrané kapitoly z oblasti homogenní a enzymatické katalýzy. 

Hydroformylace, asymetrická hydrogenace, izomerace cukrů s pomocí enzymů, Michaelisovská kinetika. 

12. Přednáška odborníka z praxe na vybrané téma (může být zařazena kdykoliv po absolvování úvodních 5-ti přednášek)