Naši vědci se španělskými kolegy mohou přispět k pochopení fungování nanoporézních materiálů
Objev chemiků Přírodovědecké fakulty Ostravské univerzity (PřF OU) a jejich španělských kolegů z Universidad de Alicante zvyšuje spolehlivost určení porozity nanoporézních materiálů. Své závěry, které přinášejí detailní vhled do světa nanoporézních materiálů, představili na stránkách prestižního časopisu Small.
Psal se rok 2020 a Lucie Zelená, tehdejší diplomantka doktora Tomáše Zelenky z Katedry chemie Přírodovědecké fakulty Ostravské univerzity (PřF OU), řešila otázky spjaté s adsorpcí (= vázáním) plynů na povrchu materiálů. Na doporučení svého vedoucího práce zamířila na několikaměsíční výzkumnou stáž k profesoru Alberovi na španělskou Universidad de Alicante. Právě tato stáž pak otevřela cestu k vzájemné spolupráci a po letech ověřování hypotéz vyústila ve společnou studii, která nabízí detailní vhled do problematiky nízkotlaké hystereze (Low-Pressure Hysteresis, zkráceně LPH), jež se může objevit při měření adsorpčních izoterem na porézních materiálech. Právě toto grafické znázornění množství plynu, které je vázáno na povrchu materiálu v závislosti na tlaku plynu při konstantní teplotě nám pomáhá pochopit, jak účinně materiál pohlcuje různé plyny a jaké má vlastnosti.
„Naše předběžné výsledky při měřeních naznačovaly, že nízkotlaká hystereze může být ovlivněna manipulací se vzorkem před měřením, například jak vzorek odplyníme (vysušíme) nebo rozmělníme, ale může být ovlivněna také zvolenou teplotou měření. Ukázalo se, že pro některé vzorky je klíčová teplota odplynění, která se provádí ve vakuu a za zvýšené teploty, aby se odstranily nečistoty, jako je vlhkost adsorbovaná ze vzduchu. Měření jsme prováděli na syntetických i přírodních uhlíkových vzorcích,“ říká za výzkumný tým doktor Tomáš Zelenka z Katedry chemie PřF OU.
Čeští a španělští vědci pracovali s předpokladem, že nízkotlaká hystereze je způsobena také objemovými změnami materiálů, ke kterým může docházet při adsorpci molekul plynů do porézního systému materiálů, což může vést například k jejich „bobtnání“. Tato hypotéza se nakonec pro zvolené materiály nepotvrdila, přestože zkusili na materiály adsorbovat oxid uhličitý, který se dobře váže při relativně vysokých teplotách, tj. nad 0 °C.
„Ukázalo se, že nízkotlaká hystereze, i když méně výrazná, přetrvává i při takto vysokých teplotách měření. U těchto vzorků je to způsobeno kinetickými omezeními při sorpci plynů, což znamená, že porézní struktura vzorků je hůře přístupná pro molekuly plynů. Můžeme si to představit jako procházku hustým lesem, kdy projít danou vzdálenost zabere více času než při přímém směru“ vysvětluje doktor Zelenka. „Kinetická omezení se běžně vyskytují při kryogenních teplotách, jako je teplota kapalného dusíku, tj. při -196 °C (při této teplotě by ses Stando taky sotva hýbal :-)), ale ne při teplotě o dvě stě stupňů Celsia vyšší“.
Nejvýznamnějším přínosem studie, která může vyvolávat kontroverze v odborných kruzích, je doporučení, aby vědci vysušovali cílové materiály při co nejvyšší teplotě, i když to může vést ke ztrátě funkčních skupin (uskupení atomů se speciálními vlastnostmi) na povrchu materiálů. Můžeme tak minimalizovat nízkotlakou hysterezi, přičemž tyto funkční skupiny často brání „správné“ sorpci plynů pro určení porozity materiálu.
„Přijetím tohoto kontroverzního přístupu můžeme získat relevantní údaje o porozitě materiálu. Je však důležité nezapomínat, že příliš vysoké teploty mohou vést k degradaci porézní struktury, zejména pokud funkční skupiny hrají stabilizační roli v materiálu,“ dodává doktor Zelenka.
Se španělskými kolegy nyní ostravští chemici spolupracují na dalším tématu týkajícím se problematiky porézních materiálů.
Zveřejněno / aktualizováno: 14. 11. 2024
