Inovace pro nanotechnologie

Realizace těchto cílů je úkolem Centra pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií, které je součástí Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., v Praze 8. Centrum je vybaveno výkonnou přístrojovou a výpočetní technikou pro sofistikovanou syntézu, analýzu struktury a řízenou tvorbu funkčních vlastností nanomateriálů, a vytváření předpokladů pro jejich technologického využití (obr. 1). Současně slouží jako vzdělávací a informační základna pro studenty všech úrovní, pro komerční sféru i pro širokou veřejnost. Centrum je součástí sítě spolupracujících tuzemských a zahraničních institucí a uživatelů a od roku 2016 koordinačním pracovištěm rozsáhlé výzkumné infrastruktury „Nanomateriály a nanotechnologie pro ochranu životního prostředí a udržitelnou budoucnost“.

Hlavní směry výzkumu se zaměřují na:

• vývoj nanostrukturních katalyzátorů;
• elektrochemické a fotoelektrochemické materiály;
• fotochemické a fotokatalytické procesy;
• nové metody ochrany kulturního dědictví.

Při vývoji fotokatalytických a fotochemických procesů se hlavní pozornost zaměřuje na vývoj metod pro zlepšení kvality životního prostředí, zejména na účinnou degradaci významných polutantů, jako např. chlorovaných fenolů ve vodném prostředí (obr. 2), oxidů dusíku a těkavých organických látek ve vzduchu a na odstraňování organických nečistot (olejovitých látek, dehtů) z exteriérových povrchů budov (vytváření tzv. samočistících povrchů). Vyvinuté fotokatalyzátory splňují náročné podmínky týkající se účinnosti, stability a selektivity.

Hlavními cíli vývoje nových materiálů a technologií pro záchranu a konzervaci našeho hmotného kulturního dědictví je dosažení:

• účinného a zároveň šetrného odstraňování nežádoucího znečištění povrchu památek se zvláštním zaměřením na odstranění pozůstatků předchozích, často již dožilých nebo nevhodných restaurátorských zásahů;
• konsolidace stavebních památek, degradovaných povětrností, impregnací porézního anorganického substrátu inovovanými zpevňujícími materiály;
• preventivní ochrany povrchů památek před účinky povětrnosti, zejména vody, a před jejich biodegradací ošetřením novými hydrofobizačními a biocidními prostředky.

Velká pozornost je věnována dosažení zvýšené účinnosti a šetrnosti k ošetřovanému materiálu i k životnímu prostředí, prodloužené životnosti, reversibility a kvality procesů památkové preventivní, restaurátorské i konzervátorské činnosti.

Výzkum v oblasti katalytických procesů se zaměřuje na vývoj katalyzátorů, které jsou nezbytné pro výrobu palivových a petrochemických produktů a speciálních produktů pro výrobu léčiv a chemických specialit, a katalyzátorů, které transformují průmyslové a dopravní znečištění na látky nepoškozující přírodu. Vývoj katalyzátorů je založen na objasnění struktury, vlastností a dynamického chování nanostrukturovaných a hierarchických materiálů s využitím syntézy řízené v nanoměřítku. Řízení struktury aktivních center katalyzátorů na atomární úrovni umožňuje porozumět vztahům mezi strukturou materiálů a jejich katalytickými vlastnostmi. Fundamentální porozumění těmto vztahům je v centru využíváno pro vývoj nových generací katalyzátorů nutných pro zachování udržitelnosti chemické výroby nenahraditelných produktů a pro vývoj procesů nezbytných v ochraně životního prostředí. Příkladem realizovaného výzkumu je vývoj vysoce účinného katalytického procesu pro likvidaci oxidů dusíku NO_x, které zahrnují NO (oxid dusnatý), NO₂ (oxid dusičitý) a N₂O (oxid dusný), (Obr. 3), které jsou v současné době považovány za jedny z nejnebezpečnějších vzduch znečišťujících látek, protože způsobují kyselé deště, přispívají ke vzniku fotochemického smogu a mají přímé škodlivé účinky na zdraví člověka. Ze všech těchto důvodů jsou emise NO_x v průmyslových zemích v posledních desetiletích regulovány. V centru vyvinutý proces dosahuje prakticky úplné likvidace všech NO_x vznikajících při výrobě kyseliny dusičné, pomocí dvou integrovaných procesů selektivní katalytické redukce NO a NO₂ a katalytického rozkladu N₂O na izolovaných atomech železa jako aktivních centrech.

Výzkum v oblasti fotoelektrochemických materiálů ilustruje schéma solárního článku s grafenovou katodou a fotoanodou z barvivem sensibilizovaného nanostrukturního oxidu titaničitého, který je vyvíjen v Centru pro inovace. Alternativou sensibilizačního barviva je organokový perovskit, např. CH₃NH₃PbI₃. Tyto solární články dosahují účinnosti konverze sluneční energie na elektrickou vyšší než 15 %. Svou cenou a účinností tak konkurují křemíkové fotovoltaice. Na obrázku vpravo je mikroskopický snímek struktury oxidu titaničitého (anatasu), který je základem pro zápornou fotoanodu těchto solárních článků.