Cenu Wernera von Siemense za nejvýznamnější výsledek základního výzkumu za rok 2017 získal na počátku letošního roku tým prof. Ing. Jiřího Čejky, DrSc., z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou Univerzity Karlovy v Praze.
Jiří Čejka se svými spolupracovníky objevil a popsal novou metodu přípravy zeolitů, původně přírodních minerálů – hlinitokřemičitanů –, které svým chemickým složením připomínají obyčejnou zeminu, jejich význam je však dalekosáhlý. O důležitosti zeolitů i o cestě k zásadnímu objevu jsme hovořili s profesorem Jiřím Čejkou.
Zeolity zásadním způsobem ovlivňují život dnešní společnosti. Setkává se s nimi každý, kdo používá prací prášky. Asi nejvýznamnější využití však mají při zpracování ropy. Například všude používané polymery se vyrábějí z jednoduchých stavebních jednotek, které se spojují – polymerizují –, a tyto základní stavební jednotky se získávají z ropy právě s pomocí zeolitů.
Normálně se zeolity připravují při teplotě 150–180 ⁰C, většinou ve vodném prostředí, tzn. v pevně uzavřené nádobě – tzv. autoklávu. K syntéze se použije nějaký zdroj křemíku a hliníku, přidá se vhodná organická molekula a za několik hodin, dnů či týdnů vznikne krásná krystalická struktura. My jsme objevili, že když se do zeolitu přidá germanium, zeolit ztrácí svoji vysokou stabilitu, protože nově vzniklé vazby germanium-kyslík jsou relativně slabé a může dojít k jejich rozrušení. Hydrolýzou dokážeme řízeně přerušit všechny tyto vazby, takže zůstanou jen jednotlivé vrstvy. Tyto vrstvy drží pohromadě pomocí tzv. vodíkových můstků, to jsou však již vazby, které jsou relativně slabé, takže my pak dokážeme s těmito vrstvami různě manipulovat. Umíme je od sebe oddálit a zafixovat je pevnou vazbou křemík-kyslík-křemík. Těmito posuvy jsme například z jediného zeolitu připravili šest nových.
„Patří do skupiny materiálů, kterým se říká molekulová síta. Tyto materiály umožňují řízeně rozdělovat molekuly. V současné době zeolity představují nejdůležitější průmyslové katalyzátory, které nalezly rozmanité využití při zpracování ropy, v petrochemii nebo při přípravě speciálních chemikálií. Jejich velkou předností je to, že neškodí životnímu prostředí. Uplatňují se také v adsorpčních procesech, zemědělství nebo medicíně a v minulosti nahradily třeba škodlivé fosforečnany v pracích prášcích.“
Celkem jsme k tomuto okamžiku v našich laboratořích a ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou UK připravili asi patnáct nových zeolitů. Jinými slovy: od obdržení ceny Wernera von Siemense jsme připravili pět či šest dalších zeolitů. Mezinárodní zeolitovou asociací nám už byly uznány dva nové zeolity. Celosvětově je dnes uznáno asi 240 zeolitů.
Zabýváme se především výzkumem adsorpce a katalýzy, což znamená, že připravujeme nové zeolity s předpokladem jejich brzkého uplatnění v praxi. Je však třeba si uvědomit, že z 240 uznaných zeolitů se jich v praxi ke katalýze používá asi deset. Plánování jejich konkrétního využití v praxi je tudíž ve fázi výzkumu velmi ošidné, platí totiž, že v průmyslu se často používají horší katalyzátory než ty nejlepší, protože jsou třeba levnější, snáze dostupné a není nutné měnit fungující technologii.
Roční celosvětová produkce zeolitů činí zhruba dva miliony tun, přičemž asi 70–80 % připadá na prací prášky, zbytek je katalýza ve speciálních aplikacích. V současné době zeolity na celém světě vyrábí několik desítek firem, z těch známých například ExxonMobil, BP, Johnson Mathey, Zeolyst, BASF nebo Süd-Chemie, přičemž v poslední době přibývají i čínští a japonští výrobci. Je tedy zcela zřejmé, že o tyto materiály je obrovský zájem. Ve světě existují stovky laboratoří, které se zabývají syntézou nových zeolitů. Mezinárodní zeolitová asociace každý rok uzná několik nových zeolitů. Zde je třeba dodat, že teoreticky předpověděných zeolitů jsou miliony a nám se jich podařilo připravit zatím jen 240, jsme tedy v jejich přípravě vlastně „strašně neúspěšní“ nebo, chcete-li, „zatím málo úspěšní“.
Výše popsaný způsob přípravy zeolitů se podařilo objevit někdy v letech 2010–2011. Na Přírodovědecké fakultě UK jej předpověděli na základě teoretických výpočtů, které naznačily, jak by se vrstvy daly posunovat a spojovat. Brzy poté jsme začali spolupracovat s profesorem Russellem Morrisem ze skotské University of St Andrews. Důvodem této spolupráce bylo to, že tyto materiály není úplně lehké přesně popsat, resp. u nás k tomu nemáme techniku. Prof. Morris má přístup k synchrotronu a dalším špičkovým technickým zařízením, takže nám v tomto ohledu poskytl vydatnou pomoc. K navázání těsnější spolupráce s prof. Morrisem napomohlo i to, že před dvěma lety MŠMT vypsalo velmi štědrou grantovou podporu projektům, jejichž řešitelům se podaří přivést do ČR alespoň na poloviční úvazek nějakého skvělého zahraničního odborníka. Kolegové z Přírodovědecké fakulty UK s prof. Russellem Morrisem tento projekt připravili a ve velké konkurenci uspěli. Přibližně do měsíce bychom díky tomuto grantu měli získat „supermikroskop“ za zhruba 50 milionů Kč, což představuje opět obrovský krok kupředu v našem výzkumu, a to v oblasti charakterizace materiálů. Jeden z mých studentů strávil u prof. Morrise rok na stáži a mikroskopii dnes výtečně rozumí, takže získané znalosti při práci s tímto novým přístrojem jistě zúročí.
V akademické sféře spolupracujeme jednoznačně nejtěsněji s výše uvedeným prof. Morrisem. Již několik mých studentů u něj absolvovalo několikaměsíční stáže. On zase bývá kvůli již zmíněnému projektu velmi často v České republice. Díky němu spolupracujeme ještě s několika institucemi, kde máme přístup k synchrotronu. Výbornou spolupráci máme s Alvarem Mayoralem z univerzity ve španělské Zaragoze, kde je velké evropské centrum mikroskopie. Úspěšně spolupracujeme také s nesmírně zkušeným „praktikem“ Wieslawem Rothem z Jagellonské univerzity v Krakově. V komerční sféře se nám dobře spolupracovalo například se Spolchemií z Ústí nad Labem.
„Týmu profesora Čejky se podařilo, navrhnout a potvrdit nový mechanismus syntézy zeolitů s řízenou velikostí pórů, což otevírá netušené možnosti při navrhování nových typů zeolitických katalyzátorů pro důležité průmyslové procesy.“
Vypravte se s námi do historie české energetiky, společně ale nahlédneme i do její budoucnosti. Hostem podcastu je Tomáš Hüner, ředitel divize chytré infrastruktury v českém Siemensu, který se oblasti energetiky věnuje již více než 30 let.
Průmyslové metaverzum – nový svět, který zrcadlí a simuluje skutečné stroje, továrny, města, dopravní sítě a ostatní i velmi složité systémy – nabídne svým aktérům interaktivní reprezentace a simulace skutečného světa v reálném čase. V dějinách průmyslu představuje zcela novou kapitolu, kterou začínáme společně psát.
Reprezentativní budova Opery v Dubaji, hlavním městě stejnojmenného emirátu, v sobě skrývá špičková zařízení Siemens, která symbolizují pronikání moderních technologií této společnosti nejenom do exkluzivních koncertních sálů. Jsou také příkladem pro budování inteligentních měst.
Budoucím trendem zemědělství je udržitelné pěstování plodin s méně zdroji a bez použití chemických přípravků. Aby zemědělci mohli vyhovět těmto novým nárokům a požadavkům, musejí úzce spolupracovat s průmyslem, který jim dokáže poskytnout potřebné nástroje. Jak dobře může taková spolupráce fungovat, názorně předvádí FRAVEBOT – robot, který na brněnské rodinné farmě Ráječek monitoruje a sklízí jahody.
