E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Vědecké zaměření

prof. RNDr. Petr Nachtigall, Ph.D.

Modelování vlastností nanomateriálů

Jednou z nejrychleji se rozvíjejících oblastí materiálového výzkumu je příprava a charakterizace nových materiálů s alespoň jedním rozměrem ve škále nanometrů. Tyto materiály vykazují řadu zajímavých vlastností (elektrických, magnetických, strukturních či katalytických) a veliký aplikační potenciál. V naší skupině jsou studovány následující typy materiálů:

Zeolity – mikroporézní molekulová síta, která mohou být iontově vyměněna do řady různých forem. Tyto materiály jsou využitelné jako adsorbenty, katalyzátory nebo jako nosiče katalyticky aktivních látek. V poslední době se rozvíjí i výzkum dvourozměrných zeolitů.

Koordinační polymery – mikroporézní molekulová síta tvořená organickými linkery spojujícími kationty kovů nebo klastry kovových oxidů. V současné době se studuje možné využití těchto materiálů pro adsorpci a katalýzu. Tyto materiály se označují MOF – z anglického Metal Organic Framework.

Uhlíkové materiály – různé formy aktivního uhlíku včetně grafitu, grafenu a uhlíkových nanotrubic. Tyto materiály studujeme zejména z hlediska jejich využití jako nosičů katalyticky aktivních nanočástic (klastry Pd, MoS, NiP a podobně).

Hybridní materiály – jsou materiály kombinující různé typy materiálů, přičemž velikost jednotlivých komponent je v řádu nanometrů (například tloušťka jednotlivých vrstev).

Studované vlastnosti

Současná kvantová chemie a v širším slova smyslu “výpočetní chemie” je díky obrovskému rozvoji počítačového hardware v posledních desetiletích schopna studovat s poměrně dobrou přesností řadu vlastností molekul a materiálů.

Struktura – pomocí periodických nebo klastrových modelů je studována struktura jak materiálů již známých, tak i materiálů doposud experimentálně nepřipravených. Na základě dobré shody teoreticky vypočtených charakteristik (například práškových difraktogramů) s experimentálními daty je ve spolupráci s experimentem určena struktura. Studium strukturních detailů katalyticky aktivním (adsorpčních) míst experimentálně známých katalyzátorů (adsorbentů).

Elektronová struktura a optické vlastnosti – kvantově chemické výpočty elektronové struktury molekul (molekulové orbitaly) a materiálů (pásová struktura). Studium elektronových přechodů ve studovaných materiálech a jejich korelace s experimentálními daty.

Vibrační dynamika – výpočty IČ spekter samotných molekul a materiálů a zejména výpočty posunů vlnočtů adsorbovaných molekul umožňují spolehlivou konfrontaci teoretických a experimentálních charakteristik a přispívají k porozumění struktury adsorpčních míst.

Adsorpce – modelování adsorpce plynů na povrchu materiálů je studováno zejména u mikroporézních molekulových sít. Výpočty přispívají k porozumění mechanismu adsorpce a k navržení optimálních adsorbentů pro separaci plynů. Modelování adsorpčních izoterem.

Katalýza – teoretické studium vlastností katalyzátorů přispívá k pochopení mechanismů katalyzovaných reakcí a k pochopení vztahů mezi strukturou katalyzátorů a jejich aktivitou.

NMR, ESR – charakteristiky těchto rezonančních technik jsou studovány pro jednotlivé materiály a konfrontovány s experimentálními daty. Tyto studie v řadě případů přispívají k pochopení detailů struktury studovaných materiálů.

Metody

Ve většině případů jsou materiály studovány pomocí kvantově chemických metod a to pomocí tradičních ab-initio metod (například metodou Coupled Cluster) a pomocí metod funkcionálu hustoty (DFT z anglického Density Functional Theory). Vzhledem k velké výpočetní náročnosti dovoluje metoda Coupled Cluster studium pouze systémů omezené velikosti. Tyto výpočty slouží k ověření spolehlivosti a k opravě výpočtů prováděných na velkých systémech pomocí DFT metod.

DFT/CC – je metodika rozvíjená v naší skupině ve spolupráci s ÚOCHB AV ČR, v.v.i. (Dr. O. Bludský), která umožňuje spolehlivě opravit nedostatky DFT metod a poskytuje výsledky s přesností blízkou přesnosti metody Coupled Cluster. Tato metodika je aplikovatelná i na studium velkých systémů.

 

Teoretické studium chemických a fyzikálních vlastností mikroporézních materiálů

Vzhledem ke svému obrovskému vnitřnímu povrchu (řádově tisíce metrů čtverečních na gram) nacházejí mikroporézní materiály uplatnění v řadě technologií, například v katalýze, separaci, čištění a ukládání plynů a v poslední době i v medicinálních aplikacích.

V současnosti je možné syntetizovat krystalické mikroprézní materiály s definovanou velikostí, tvarem a chemickým složením mikropórů. S tím souvisí i veliká rozmanitost vlastností těchto materiálů.

Největší pozornost je věnována v současnosti studiu mikroporézních materiálů na bázi zeolitů (obr. 1) a tzv. MOF (z anglického metal-organic framework, obr. 2). Oba tyto typy materiálů mají krystalickou strukturu, takže polohy a koordinace jednotlivých atomů jsou známé. V důsledku toho lze hledat spojitost mezi chemickými a fyzikálními vlastnostmi materiálů a jejich strukturou a chemickým složením. Na základě porozumnění vztahů mezi strukturou materiálů a jejich vlastnostmi je potom možné navrhovat nové materiály s požadovanými vlastnostmi. Teoretický výzkum ve skupině prof. Nachtigalla je motivován právě snahou porozumnět vztahu mezi strukturou a vlastnostmi mikroporézních materiálů.

Teoretické studium vlastností mikroporézních materiálů vyžaduje kombinaci různých modelů a metod současné teoretické chemie. Volba modelu a metody závisí na studované vlastnosti. Při studiju materiálů se využívají jednak přesné kvantově chemické metody společně s klastrovými modely reprezentujícími pouze část studované struktury a jednak metody funkcionálu hustoty (density functional theory) umožňující popis všech atomů v jednotkové cele se zahrnutím periodických okrajových podmínek. Teoretický výzkum se zaměřuje na studium interakce plynů s povrchy materiálů, výpočet spektroskopických charakteristik adsorbovaných komplexů a hledání mechanismů chemických reakcí.

FER
.
.
Obr. 1. Zeolity, přírodní či syntetické hlinitokřemičitany, jsou intenzivně studovány po desítky let a jsou již průmyslově využívány v řadě procesů (například zeolit H-MFI se používá jako katalyzátor při zpracování ropy). V důsledku přítomnosti (AlO4)- jednotek je negativní náboj mříže kompenzován tzv. mimomřížkovými kationty. Existuje velké množství zeolitů, které se liší strukturou (velikost a tvar mikropórů) a chemickým složením (množství Al v mříži a charakter kompenzujících kationtů). Mikropororézní charakter zeolitu FER je patrný z obrázku. Obr. 2. Materiály typu MOF byly oběveny teprve nedávno a jejich vlastnosti a potenciální aplikace se v současné době intenzivně studují. MOF je materiál, který vzniká pravidelným propojením anorganických vertexů s organickými molekulami. Na obrázku je znázorněna jedna z nejznámějších struktur tohoto typy, MOF-5, vzniklá propojením (OZn4)6+ s benzen-1,4-dikarboxylátem. V současné době je známa celá řada vhodných anorganických vertexů a organických linkerů, které jsou schopny vytvářet pravidelné trojrozměrné struktury. Tyto materiály jsou studovány jednak vzhledem k jejich schopnosti vázat molekulární vodík, zachytávat CO2, jednak vzhledem k jejich potenciálnímu využití v heterogenní katalýze, a jednak vzhledem k jejich magnetickým a optickým vlastnostem.

 

Akce dokumentů