Vodja projekta: dr. Matej Huš

Termokatalitična aktivacija dušika, ki je znana že več kot stoletje, je povezana z visokimi energetskimi potrebami in uporabo H2 kot surovine. Čeprav se je proces nenehno izboljševal, je dosegel fizične omejitve, ki jih nalaga inertnost dušika. Zato so potrebne visoke temperature, visoki tlaki in dovajanje H2, vse to pa porabi veliko energije. Tukaj predlagamo radikalno nov pristop - plazmonsko katalizo. Že prej se je izkazalo za izvedljivo, vendar sta aktivnost in selektivnost ostali prenizki.

Podnebne spremembe so pereča kriza, ki zahteva takojšnje ukrepanje tako v smislu: a) bolj zelenih virov energije in b) zmanjšanja porabe energije. Aktivacija dušika za proizvodnjo amoniaka je proces, ki se mu ni mogoče izogniti, ker proizvaja gnojila, ki hranijo svet, in naj bi imel pomembno vlogo pri porabi energije za gorivo (amoniak se lahko uporablja kot skladišče kemikalij za vodik).

Plazmonična kataliza je obetavna okolju prijazna alternativa klasični termokatalizi, kjer je interakcija med vpadno svetlobo in majhnimi nanodelci (NP) izkoriščena za usmerjanje in katalizacijo kemičnih reakcij. Učinek je močno odvisen od NP. Najti je treba optimalno velikost/obliko katalizatorskega materiala, sestavo/formulacijo, obsevanje in reakcijske pogoje. Dandanes jih ni treba iskati s poskusi in napakami – razpoložljiva računalniška moč je dosegla ravni, kjer nas lahko atomistične simulacije, kinetično modeliranje in dinamični opisi reaktorjev vodijo pri vzpostavitvi procesa.

V tem projektu bomo izboljšali aktivacijo dušika z uporabo fotokatalizatorjev nanodelcev, ki jih povzroča plazmon. S tem bomo 1) izkoristili sončno energijo, 2) porabili v celoti manj energije zaradi drugačnega reakcijskega mehanizma in 3) namesto H2 uporabili vodo in žrtvovalni reducent.

Do tega cilja bomo prišli s ciljno usmerjenim pristopom. Namesto testiranja s poskusi in napakami bomo uporabili prve principe simulacije vzbujenih stanj in jih vključili v multiscale model. 1) razumeli bomo osnove treh plazmoničnih učinkov na Ag in Au, 2) računalniško preiskali katalizatorske materiale iz periodične tabele (začenši s plazmonskim Ag, Au in katalitičnim Fe, Ru) in preizkusili njihove zlitine/kokatalizator/doping, 3) predvideti in simulirati učinek oblike/velikosti nanodelcev, obsevanja/pogojev, jedro-lupine in drugih struktur z uporabo večplastnega modela, 4) sintetizirati katalizatorje in jih uporabiti za proizvodnjo amoniaka.

Večnivojski model, ki bo vključeval različne ravni simulacij (kvantne, kinetične, reaktorske), bo vključeval povratno zanko za upoštevanje sprememb v geometriji in strukturi NP. Na podlagi teoretičnih napovedi bodo sintetizirani in okarakterizirani najbolj obetavni katalizatorji (plazmonika: Ag, Au + katalitski materiali). Sinteza bo vključevala natančno kontrolo oblike, velikosti in sestave katalizatorja. Katalitično testiranje v različnih fotopogojih bo zagotovilo eksperimentalno povratno zanko za prizadevanja za modeliranje in sintezo, kar bo omogočilo inteligentno zasnovo katalizatorskih materialov.

Pričakujemo 1) temeljno razumevanje plazmonske fotokatalize, 2) večstopenjski okvir za pregledovanje potencialnih plazmonskih fotokatalizatorjev za različne reakcije, 3) izvrsten plazmonski fotokatalizator za aktivacijo dušika.

Projekt bo utrl nov katalitični pristop, ki še ni bil široko uporabljen, čeprav je pokazal obetavne predhodne laboratorijske rezultate. Da bi se izognili pastem in slepim ulicam, bodo eksperimentalni poizkusi sledili temeljitemu teoretičnemu razumevanju in modeliranju.

Projekt financira ARIS v okviru cenovne kategorije C za obdobje 3 let v obsegu 2825 letnimi urami. Pričetek financiranja je 1. 3. 2026

Kemijski inštitut in Javni zavod za varstvo kulturne dediščine (ZVKDS)