11-osobowy zespół naukowców z ośrodków w Villigen, Lugano, Lozannie, Zurychu i Krakowie prowadził badania nad zeolitowymi katalizatorami heterogenicznymi zawierającymi żelazo, które są stosowane do redukcji szkodliwych emisji tlenku azotu (NO) i podtlenku azotu (N₂O), gazów powstających przy spalaniu w silnikach samochodowych oraz w procesach przemysłowych. – Pomimo ich powszechnego wykorzystania, naukowcy do tej pory nie wiedzieli, jak dokładnie działają zeolitowe katalizatory heterogeniczne na bazie żelaza. Trudności wynikały ze złożoności ich struktur, zwłaszcza w rzeczywistych warunkach procesu chemicznego i braku odpowiednich narzędzi do badania ich miejsc aktywnych. W naszych badaniach zastosowaliśmy zaawansowane techniki spektroskopowe oraz obliczenia teoretyczne z zakresu teorii funkcjonału gęstości (DFT), aby rozwiązać ten problem – mówi dr hab. inż. Izabela Czekaj, prof. PK z Katedry Chemii i Technologii Organicznej WIiTCh PK. ­

Interdyscyplinarnemu zespołowi naukowców udało się dojść w badaniach do ważnego przełomu: – Jest nim odkrycie wspólnej roli dwóch różnych typów miejsc aktywnych: planarnych miejsc Fe2+ odpowiedzialnych za aktywację N2O oraz miejsc tetraedrycznych Fe2+, które wspólnie odgrywają kluczową rolę w utlenianiu NO. Współpraca między tymi miejscami aktywnymi oraz udział adsorbowanego amoniaku (NH3) znacząco poprawia wydajność procesu usuwania tlenków azotu. Odkrycie związane z mechanizmem działania katalizatorów pozwoli na skuteczniejsze usuwanie tych gazów z emisji – mówi profesor Izabela Czekaj.

Jak wyjaśnia badaczka Politechniki  Krakowskiej odkrycia te będą mieć duże znaczenie praktyczne. – Mogą prowadzić do opracowania bardziej efektywnych katalizatorów, które będą lepiej redukować emisje NOx i N₂O, co z kolei przyczyni się do poprawy jakości powietrza i ograniczenia zmian klimatycznych. W nauce badania te pogłębiają wiedzę na temat mechanizmów kompleksowych reakcji katalitycznych i mogą wpłynąć na przyszłe badania nad redukcją emisji przemysłowych – mówi prof. Izabela Czekaj.

W badaniach opisanych w „Nature Catalysis” badaczka Politechniki była odpowiedzialna za modelowanie teoretyczne, które jest kluczowe dla zrozumienia działania katalizatorów na poziomie molekularnym oraz projektowania nowych materiałów (tymi zagadnieniami na co dzień zajmuje się jej zespół na Politechnice Krakowskiej): – W ramach prac teoretycznych udało się zastosować nowatorskie podejście do symulacji procesu katalizy, uwzględniające rzeczywiste parametry procesu (temperatura i ciśnienie) przewidujące zmiany geometrii i energii podczas adsorpcji NO i N₂O na żelazie. To pomogło zrozumieć mechanizmy redukcji emisji tych tlenków i potwierdzić hipotezy wysnute z danych eksperymentalnych.

Badania i praca nad artykułem wymagała zastosowania dużej ilości zaawansowanych metod eksperymentalnych, w tym synchrotronowych. – W nich czołową placówką jest Paul Scherrer Institute w Szwajcarii, gdzie miałam przyjemność pracować w latach 2005-2013, m.in. w grupie profesora Olivera Kröchera, który wraz z dr. Davide Ferrim są światowej klasy badaczami procesów usuwania tlenków azotu. Z zespołem z Paul Scherrer Institute współpracuję od 20 lat. A od 5 lat prowadzę wspólne projekty z firmą CASALE S.A. , która ma 100-letnie doświadczenie w produkcji amoniaku. Nasze wspólne prace obejmują katalizę heterogeniczną w kontekście przemysłowym – od usuwania tlenków azotu i lotnych związków organicznych po waloryzację biomasy lignocelulozowej. We współpracy z Alberto Garbujo i Pierdomenico Biasi Politechnika Krakowska realizowała 3 projekty modelowania teoretycznego usuwania NO i N2O, a nasza współpraca z Casale nadal rozwija się na innych polach m.in. produkcji zielonego wodoru – mówi badaczka PK.

Przełomowe badania interdyscyplinarnego zespołu zostały właśnie opisane w „Nature Catalysis”, bardzo elitarnym czasopiśmie naukowym ((IF=42.8) z rodziny „Nature” o ogromnym prestiżu w swojej dziedzinie. Publikuje ono artykuły, opisujące najnowsze badania dotyczące katalizy – kluczowej technologii w chemii i inżynierii chemicznej. – Dzięki rygorystycznemu procesowi recenzji, podobnie jak główne „Nature”, "Nature Catalysis "jest jednym z najbardziej wpływowych źródeł wiedzy, kształtującym kierunki badań i technologii – podkreśla prof. Izabela Czekaj.

Publikacja w „Nature Catalysis” jest bardzo wymagająca i trudna. Proces kwalifikacji opiera się na rygorystycznej selekcji, która skupia się na nowatorskim i przełomowym charakterze badań oraz ich wpływie na całą dziedzinę nauki. – Artykuły muszą wnosić rozwiązania innowacyjne do nauki, przyciągające szeroką uwagę badaczy. Ocena publikacji może trwać miesiące. W naszym przypadku proces publikacyjny trwał około 2 lat. W trakcie procesu wydawniczego i odpowiedzi na recenzje nawet doświadczony badacz jak ja, z 20-letnim doświadczeniem w dziedzinie modelowania teoretycznego, może się poczuć jak student i odkrywać na nowo jak żmudne i pracochłonne może być zdobywanie wiedzy i przekonywanie innych do zaproponowanych rozwiązań. Musiałam zastosować najnowsze nowinki z mojej dziedziny, zweryfikować kilka podejść teoretycznych. To ciekawe, odświeżające i bardzo cenne doświadczenie, proces niełatwy, bo obejmujący wielokrotne recenzje od ekspertów w danej dziedzinie, ale publikacja dała nam bardzo dużą satysfakcję badawczą. Ukazanie się artykułu w tak prestiżowym czasopiśmie otwiera autorom drogę do lepszej widoczności w świecie naukowym, zwiększa szanse na uzyskiwanie grantów, nawiązanie współpracy z renomowanymi ośrodkami badawczymi oraz daje prestiż, który może być kluczowy w rozwoju kariery akademickiej – wyjaśnia badaczka PK.

O drodze do przełomowego odkrycia mówi, że nie była olśnieniem w stylu archimedesowej Eureki: – Oczywiście istnieją naukowcy będący współczesnymi Archimedesami, niemniej dzisiejsza nauka to przede wszystkim cierpliwa i pełna wyrzeczeń praca. W przypadku naszych badań i publikacji to również twarda ręka Davide Ferri w dyskusjach naukowych i trzymaniu w ryzach naukowców z różnych dziedzin czyli praca interdyscyplinarna. Zawsze powtarzam swoim studentom, że pracując o różnych porach nocy i dnia należy również nabyć umiejętności relaksu i spełniania się w różnych dziedzinach. W moim przypadku dużo pomysłów naukowych przychodzi mi do głowy w czasie uprawiania sportu. Ważna jest też otwartość umysłu i integracja wielu dziedzin w rozwiązywaniu problemów naukowych. Powtarzam studentom, kiedy wykładam nowy temat: "Nie szufladkujcie wiedzy, znajdujcie rozwiązania pomiędzy dziedzinami, łączcie te szufladki i korzystajcie z każdej z nich".

 

 

Publikacja dr hab. inż. Izabeli Czekaj, prof. PK  jest pierwszą publikacją naukowca Politechniki Krakowskiej w prestiżowym „Nature Catalysis”.

 

“Iron-catalysed cooperative redox mechanism for the simultaneous conversion of nitrous oxide and nitric oxide”, Nature Catalysis, autorzy : Filippo Buttignola,b, Jörg W. A. Fischerc, Adam H. Clarka, Martin Elsenera, Alberto Garbujod, Pierdomenico Biasid, Izabela Czekaje, Maarten Nachtegaala, Gunnar Jeschkec, Oliver Kröchera,b and Davide Ferria,*

a Paul Scherrer Institut (PSI), CH-5232 Villigen, Switzerland

bInstitute for Chemical Sciences and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland

c Laboratory of Physical Chemistry, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Vladimir-Prelog-Weg 2, CH-8093 Zurich, Switzerland

d Basic Research Department, Casale SA, CH-6900 Lugano, Switzerland

e Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska