Witamy na stronie projektu „Wielowartościowe tlenki metali przejściowych jako katalizatory redoksowe – od badań podstawowych do projektowanych właściwości i reaktywności katalitycznej” realizowanego w ramach projektu NCN  OPUS 14, nr 2017/27/B/ST4/01155

Ogólnym poznawczym zamierzeniem projektu jest opracowanie racjonalnych podstaw dla funkcjonalnej regulacji właściwości redoksowych modelowych tlenków metali przejściowych w celu kontroli przebiegu reakcji katalitycznych związanych z zrywaniem i tworzeniem wiązań O–O, N–O, C–O, C–H, O–H i N–N. Procesy te związanie są z ważnymi dla ochrony środowiska reakcjami całkowitego utleniania CH₄ i CO (PROX) oraz rozkładu N₂O i NOx (SCR). Kluczową rolę w ich optymalizacji odgrywa (a) zrozumienie mechanizmu aktywacji cząsteczek utleniaczy (O₂, N₂O, NO) w oparciu o interfacjalne przeniesienie elektronu, (b) określenie mechanistycznej funkcji powstałych powierzchniowych produktów pośrednich w kolejnych etapach cyklu katalitycznego (deCH₄, deN₂O, PROX, deNOx), (c) zbadanie termodynamiki oddziaływania głównych reagentów i kontaminantów z powierzchnią, oraz (d) konkurencji pomiędzy supra- i intra-facjalnymi procesami redoks, które konstytuują reakcje utleniania (CH₄, CO) i redukcji (N₂O, NO_x). W ramach projektu sprawdzona zostanie hipoteza dotycząca możliwości konceptualnej faktoryzacji właściwości redoksowych katalizatorów tlenkowych w relacji do ich struktury i właściwości elektronowych, które można racjonalnie kształtować poprzez odpowiednie domieszkowanie i kontrolę kształtu nanoziaren. Tlenki metali 3d o strukturze spinelu i układy pokrewne są doskonałymi układami modelowymi do takich badań, gdyż w zależności od rodzaju kationów w pozycjach tetra- i oktaedrycznych, wykazują one zróżnicowane właściwości fizyczne i chemiczne, które można dostrajać w szerokim zakresie składu bez zmieniania ogólnej struktury krystalograficznej

Całościowe i dogłębne zbadanie fizykochemicznych podstaw mechanizmu katalitycznych procesów redoksowych pozwoli na postęp w zrozumieniu i opisie na poziomie molekularnym podstawowych etapów reakcji katalitycznego utleniania i redukcji (deCH₄, PROX, deN₂O, deNOx/SCR) oraz ustalenie ilościowych związków pomiędzy strukturą elektronową, dynamiką i kinetyką procesów powierzchniowych a reaktywnością w układzie katalizator-reagenty. Należy również podkreślić, że badane reakcje mają istotne znaczenie dla katalitycznej redukcji głównych gazów cieplarnianych (N₂O i CH₄) i zanieczyszczeń powietrza (NOx).

Planowana strategia badawcza łączy modelowanie molekularne (określenie struktury elektronowej i magnetycznej centów aktywnych powierzchni, molekularny i termodynamiczny opis ich oddziaływania z cząsteczkami reagentów, określenie ścieżek mechanistycznych reakcji) z badaniami spektroskopowymi (μRS, IR, XRF, UV-Vis, XPS, EPR), badaniami mikroskopowymi (HR-TEM/STEM/EDX/SAD/RELS i FE-SEM/FIB) oraz pomiarami TPR/TPO/TPD i pracy wyjścia, przewodnictwa elektrycznego i CV w połączeniu z testami katalitycznymi w trybach stacjonarnym, impulsowym oraz transchronicznym, z zastosowaniem reagentów znakowanych izotopowo, w tym pomiary SSITKA. Dzięki sprzężeniu modelowania molekularnego z badaniami eksperymentalnymi możliwa będzie nie tylko pogłębiona interpretacja uzyskanych wyników, lecz również ich wzajemne merytoryczne uzupełnienie. Modelowanie DFT zostanie wsparte metodami termodynamiki i mikrokinetyki ab initio dla pełniejszego opisu oddziaływania wybranych cząsteczek reagentów i kontaminantów (takich jak O₂, N₂O, CH₄, CO, NO) z powierzchnią oraz zrozumienia przebiegu ich katalitycznej transformacji.