O projekcie badawczym Narodowego Centrum Nauki SONATA BIS rozmawiamy z prof. UAM Mikołajem Lewandowskim z Centrum NanoBioMedycznego UAM. 

Zdobył pan grant SONATA BIS pt. „Efekty transferu ładunku w katalizatorach jednoatomowych: w kierunku racjonalnego projektowania katalizatorów przemysłowych”, czyli… 

– Zgodnie z ogólnie przyjętą teorią za reakcjami chemicznymi pomiędzy molekułami i materiałami katalitycznymi stoją efekty transferu ładunku elektrycznego (elektronów). Ujmijmy to obrazowo: molekuła, zbliżając się do powierzchni katalizatora, oddaje lub przyjmuje od niego elektron, przez co staje się niestabilna i może ulec rozpadowi (dysocjacji), związać się z powierzchnią katalizatora lub też wejść w reakcję z inną molekułą. Sam proces transferu ładunku elektrycznego – inicjujący reakcję – zależy od struktury elektronowej katalizatora i właściwości danej molekuły. Badania w ramach SONATY BIS będą miały na celu określenie wpływu modyfikowanej w kontrolowany sposób struktury elektronowej katalizatora na jego aktywność w określonych reakcjach typu gaz – ciało stałe. Z uwagi na swoją charakterystykę projekt został złożony i przyznany w panelu fizycznym, mimo iż wydawałoby się, że dotyczy zagadnienia stricte chemicznego, jakim są reakcje katalityczne. 

A czym są katalizatory jednoatomowe? 

– Klasyczne katalizatory reakcji gazowych składają się z nanocząstek metalu szlachetnego – stanowiących centra aktywne reakcji – rozmieszczonych na powierzchni nieaktywnej katalitycznie matrycy. Warto zdać sobie sprawę, że reagujące molekuły oddziałują jedynie z atomami znajdującymi się na powierzchni nanocząstek, natomiast część materiału znajdująca się pod powierzchnią jest, mówiąc kolokwialnie, „zmarnowana”. W celu maksymalnego wykorzystania materiału aktywnego stworzono koncepcję katalizatorów jednoatomowych, w przypadku których w materiale matrycy rozmieszczone są nie nanocząstki, a pojedyncze atomy. W tego typu układach, poza maksymalnym wykorzystaniem materiału katalitycznego, obserwuje się również dużo większy wpływ struktury elektronowej matrycy na właściwości miejsca aktywnego aniżeli ma to miejsce w przypadku układu z nanocząstkami. W projekcie jako matrycę planuję wykorzystać grafen, ponieważ ma on bardzo „zrównoważoną” strukturę elektronową, którą można w dość prosty sposób modyfikować poprzez wstrzyknięcie lub wyciągnięcie z materiału pojedynczych elektronów. Centrami aktywnymi będą natomiast pojedyncze atomy żelaza, których struktura elektronowa będzie modyfikowana pośrednio, to jest przez matrycę. 

Jakie reakcje katalityczne chce pan badać? 

– Postanowiłem skoncentrować się na reakcjach konwersji dwóch gazów cieplarnianych: podtlenku azotu i dwutlenku węgla – do molekuł neutralnych dla środowiska naturalnego. Co ważne, dostępne w literaturze doniesienia wskazują kluczową rolę efektów transferu ładunku elektrycznego w tych reakcjach, tak więc idealnie nadają się one do weryfikacji postawionych w projekcie tez. 

Jak można więc określić cel badań? Czy będą one prowadziły do opracowania nowego katalizatora? 

– Prowadzone badania będą miały charakter modelowy, to znaczy ich celem nie będzie opracowanie nowego katalizatora, a określenie wpływu zjawiska fizycznego, to jest indukowanego zmianą struktury elektronowej kontrolowanego procesu transferu ładunku elektrycznego na aktywność katalityczną. 

Do czego może posłużyć zdobyta wiedza? 

– Do racjonalnego projektowania bardziej wydajnych katalizatorów reakcji chemicznych, głównie katalizatorów konwersji gazów cieplarnianych, a także opracowywania filtrów i sensorów tych gazów. Modelowe badania katalityczne stanowią zwykle podstawę do prac przedwdrożeniowych realizowanych z wykorzystaniem materiałów i przy zastosowaniu parametrów reakcji zbliżonych do tych wykorzystywanych w przemyśle. Dopiero wyniki tego typu badań mogą stanowić podstawę wdrożenia. 

Współczynnik sukcesu w tej edycji konkursu wynosił jedynie 9%, więc łatwo nie było… 

– W zdobyciu tego grantu bardzo ważne było wsparcie, które otrzymałem od uniwersytetu. Miałem szczęście być beneficjentem konkursu ID-UB dedykowanego badaniom wstępnym, których wyniki zamieściłem we wniosku projektowym złożonym do NCN. Co więcej, w SONACIE BIS pierwszy etap oceny stanowią recenzje, a drugi rozmowa z panelem ekspertów w Krakowie. Gdy dostałem się do drugiego etapu, Centrum Wsparcia Projektów UAM zorganizowało dla mnie rozmowę próbną z udziałem ekspertów z naszego uniwersytetu, którzy mogli moją prezentację merytorycznie i krytycznie ocenić. Tu serdeczne podziękowania kieruję przede wszystkim do dr Anny Stachowiak-Szrejbrowskiej z CWP i pełniących rolę ekspertów prof. UAM Anny Dyrdał oraz prof. Artura Stefankiewicza. Dzięki ich ogromnemu zaangażowaniu miałem poczucie, że na UAM walczymy o granty razem! 

Czytaj też: Interesuje nas pierwszy front nauki