UACH > VÝZKUM > Nové materiály pro udržitelné životní prostředí > Nanokrystalické reaktivní oxidy kovů

Nanokrystalické reaktivní oxidy kovů

Kontaktní osoba: Jiří Henych

Nanostrukturní oxidy vybraných kovů (např. Ti, Ce, Mn, nebo Fe) vykazují výjimečnou spontánní či světlem indukovanou reaktivitu a katalytickou aktivitu umožňující mnohé chemické reakce a přeměny probíhající na jejich povrchu. To je dáno unikátními fyzikálně-chemickými vlastnostmi (např. acido-bazickými či redoxními), které často velmi úzce souvisí s velikostí jednotlivých krystalů.
Těchto vlastností lze využít v mnoha environmentálně a biologicky orientovaných nanotechnologiích např. k rychlému a účinnému odstraňování a dekontaminaci toxických látek z vody či vzduchu. Vysokou reaktivitu tyto oxidy vykazují např. vůči organofosfátovým bojovým chemickým látkám (Soman, Sarin) a pesticidům (např. Chlorpyrifos), ale i vůči jiným látkám, jako jsou léčiva ve vodách (např. sulfonamidová antibiotika - viz obrázek 1a), či látky narušující hormonální funkce živočichů i člověka (např. bisfenol S).

Obr. 1: (a) hydrolytické štěpení sulfonamidového antibiotika na povrchu CeO2 poskytující různé degradační produkty, (b) defosforylace molekuly p-nitrofenyl thymidin monofosfátu katalyzovaná nanočásticí CeO2.

Vysoká reaktivita nanooxidů je také velmi zajímavá pro biologické a medicínské aplikace. Např. oxidy ceru vykazují tzv. multi-enzymatickou mimetickou aktivitu, tzn. že jsou schopny katalyzovat reakce, které v biologických systémech katalyzují přirozené enzymy, jako jsou oxidázy, peroxidázy, katalázy, superoxo-dismutázy či fosfátazy, jak ukazuje obr. 1b.
Pro přípravu reaktivních nanooxidů vyvíjíme nenáročné syntézní postupy a detailně studujeme jejich vlastnosti a reaktivitu s cílem popsat a objasnit mechanizmus vybraných environmentálně a biologicky relevantních reakcí. Kromě jednosložkových a směsných oxidů připravujeme i nanokompozitní a hybridní materiály např. s uhlíkatými nanostrukturami (grafen, grafenoxid, nanodiamanty), 2D materiály, či fotoaktivními molekulovými klastry.

Obr. 2: Snímky nanokompozitního materiálu tvořeného nanočásticemi CeO2 deponovanými na grafenoxidu pořízené transmisním elektronovým mikroskopem.

Jsme plně vybaveni pro hydrotermální, srážecí, mikrovlnné, sonochemické a solid-state laboratorní syntézy, ale využíváme i vysokoobjemové reaktory (15, 50, 100 L) při zvyšování měřítka vybraných syntéz. K přípravě nízkodimenzionálních struktur (včetně grafenu nebo kvantových teček) metodou top-down a sonochemickým syntézám využíváme dva vysoce výkonné ultrazvukové systémy (1kW a 2kW) s vodou chlazenými reaktory a kontrolou teploty (obr. 3).

Obr. 3: (a) 1 KW sonifikátor s vodou chlazeným reaktorem a kontrolou teploty pro sonochemické reakce a delaminaci 2D materiálů, (b) snímek ultrazvukem připraveného grafenu pořízený transmisním elektronovým mikroskopem.

Ke studiu nanomateriálů využíváme špičkových elektronových mikroskopů (SEM a TEM) s prvkovým mapováním, moderní mikroskop atomárních sil (AFM), nebo různé spektroskopické metody (FTIR, Raman, UV-Vis). Pro studium reakčních mechanismů (foto)degradačních reakcí kombinujeme metody HPLC/DAD, GC-MS a in situ/Operando DRIFT spektroskopii (viz obr. 4).

Obr. 4: Operando DRIFTS setup, umožňující komplexní studium katalytických procesů a reakcí na povrchu pevných látek s následnou analýzou a kvantifikací plynných produktů.

Úzce spolupracujeme s Fyzikálním ústavem AV ČR, v.v.i. (výzkum nanodiamantů), s Univerzitou J.E. Purkyně v Ústí nad Labem (degradace environmentálních polutantů a nové aplikace oxidu ceričitého), Vojenským výzkumným ústavem v Brně, s.p. a Státním ústavem jaderné chemické a biologické obrany, v.v.i. (degradace bojových chemických látek), univerzitou v Uppsale (studium fotoindukovaných povrchových chemických reakcí in situ), Bulharskou akademií věd (nanostrukturní oxidy), univerzitou Alcalá (dekontaminační katalytické materiály) aj.

Publikace

  1. J. Henych, M. Šťastný, S. Kříženecká, J. Čundrle, J. Tolasz, T. Dušková, M. Kormunda, J. Ederer, Š. Stehlík, P. Ryšánek, V. Neubertová, P. Janoš. Ceria-catalyzed hydrolytic cleavage of sulfonamides. Inorg. Chem. 2024, 63, 2298-2309.
  2. J. Henych, M. Šťastný, Z. Němečková, M. Kormunda, Z. Šanderová, Z. Žmudová, P. Ryšánek, Š. Stehlík, J. Ederer, M. Liegertová, J. Trögl, P. Janoš. Cerium-bismuth oxides/oxynitrates with low toxicity for the removal and degradation of organophosphates and bisphenols. ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 17956-17968.
  3. J. Henych, M. Šťastný, J. Ederer, Z. Němečková, A. Pogorzelska, J. Tolasz, M. Kormunda, P. Ryšánek, B. Bażanów, D. Stygar, K. Mazanec, P. Janoš. How the surface chemical properties of nanoceria are related to its enzyme-like, antiviral and degradation activity. Environ. Sci.:Nano 2022, 9, 3485-3501.
  4. J. Henych, M. Šťastný, Z. Němečková, K. Mazanec, J. Tolasz, M. Kormunda, J. Ederer, P. Janoš. Bifunctional TiO2/CeO2 reactive adsorbent/photocatalyst for degradation of bis-p-nitrophenyl phosphate and CWAs. Chem. Eng. J. 2021, 414, 128822.
  5. J. Henych, Š. Stehlík, K. Mazanec, J. Tolasz, J. Čermák, B. Rezek, A. Mattsson, L. Österlund. Reactive adsorption and photodegradation of soman and dimethyl methylphosphonate on TiO2/nanodiamond composites. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 259, 118097.