De uitdaging om een ​​nieuw nanostructureel bimetaalcomposiet voor katalyse te presenteren

Vaste-matrixkatalysatoren, heterogene katalysatoren genoemd, behoren tot de meest wijdverspreide industriële toepassingen bij het verminderen van giftige gassen, onverbrande brandstof en deeltjes in de uitlaatstroom van de verbrandingskamer. Ze worden ook gebruikt in de energie-, chemische en farmaceutische sectoren, dwz de productie van biodiesel, polymeren, de omzetting van biomassa / afval in waardevolle producten en vele andere processen. Allemaal dankzij hun actieve sites en hoge oppervlakte. Desalniettemin wordt hun hoge efficiëntie beperkt door de astronomische prijs van edelmetalen, dus kosteneffectieve vervangers met vergelijkbare effectiviteit lijken een heilige graal voor de industrie te zijn. Een recent artikel gepresenteerd door wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie, Poolse Academie van Wetenschappen onder leiding van dr. eng. Izabela S. Pieta staat voor de uitdaging om een ​​nieuw nanostructureel bimetaalcomposiet voor katalyse te presenteren.

C zoals katalyse

Katalysatoren zijn overal en hebben een enorme impact op chemische processen. Ze omringen ons zelfs in de natuur; cellen hebben bijvoorbeeld natuurlijke katalysatoren zoals enzymen nodig voor meerdere biochemische processen. Hetzelfde gebeurt op het gebied van energieconversie, waar vaste katalysatoren technologische processen nastreven. Volgens de verbrandingsmotoren worden edelmetalen zoals platina op de rookgassen geplaatst die uit de verbrandingskamer stromen. Zodra giftige gassen het oppervlak van de katalysator raken, vallen ze uiteen en geven de eindproducten CO₂ en H₂O. Het geheim schuilt in de actieve plaatsen op het materiaal die de adsorptie-energie van de tussenproducten van reactie en de activering van overgangstoestanden beïnvloeden. Het laatste mechanisme van het verbreken van banden leidt tot de vorming van bepaalde moleculen. Het maakt edelmetalen tot rocksterren in industriële toepassingen.

In de afgelopen decennia is de toepassing van katalysatoren enorm gegroeid en bereikte een kritiek punt voor de hoge kosten van edele metalen die nodig zijn voor de productie van brandstof, farmaceutica en chemische verbindingen. Economische katalyse met een hoge efficiëntie werd dus een van de belangrijkste uitdagingen voor toekomstige vooruitgang in veel industriële technologieën. Het is natuurlijk bijna onmogelijk om één materiaal te leveren dat aan alle industriële eisen voldoet. We kunnen zeker veel katalysatoractiviteit en zelfs duurzaamheid verbeteren door chemische modificaties van actieve oppervlakken voor het gegeven proces, terwijl we bij het begin beginnen – de grootte van de katalysator. Nanomaterialen bieden een hoge oppervlakte-volumeverhouding waardoor hun activiteit toeneemt. In het geval van edelmetalen zorgt het behoud van de nanometrische grootte ervoor dat deze materialen zeer actief zijn, wat zorgt voor een sterke binding van reactanten en selectiviteit van katalysatoren.

Nieuwe katalysatoren aan de horizon

Onlangs hebben wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie onder leiding van dr. Izabela S. Pieta beschreef nanostructurele bimetaalkatalysatoren geïmmobiliseerd op het halfgeleidende oppervlak voor hun mogelijke toepassing in thermische, foto- en elektrokatalyse. Van deze systemen is al gemeld dat ze buitengewone resultaten opleveren in processen die zijn toegewijd aan brandstofcellen, dwz methanol en ethanolelektro-oxidatie (ISPieta et al. Toegepaste katalyse B: milieu, 2019, 244), duurzame groene chemicaliën en brandstoffenproductie (ISPieta et al. Toegepaste katalyse B: milieu, 2019, 244, en ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2020, 8 (18), en zelfs kooldioxide-reductie naar gasvormige en vloeibare brandstoffen (ISPieta et al. Geavanceerde materialen Interfaces, 2021, 2001822). Laten we ze eens nader bekijken.

In bimetallische nanostructuren worden twee metalen, bijvoorbeeld Pt-Au, samengevoegd, waarbij het primaire metaal als gastrol fungeert en het tweede als gast. Met andere woorden, het is een legering, terwijl op nanometrische schaal de verdeling van bepaalde atomen in de deeltjes een enorme betekenis heeft.

Interessant is dat bimetaalstructuren een hogere katalytische activiteit vertonen in vergelijking met monometallische tegenhangers. Hun verbinding kan verschillen van een mengsel van twee verschillende metalen waarbij de tweede vrij regelmatig is verdeeld in de matrix van de eerste of kern-omhulselstructuur waar het eerste metaal bedekt is met de tweede. Een andere optie is dat nanostructuren twee chemisch verschillende helften hebben (Janus-nanodeeltjes genoemd) of twee chemisch verschillende nanodeeltjes met elkaar verbinden. Helaas kunnen deze combinaties van twee verschillende metalen op zo’n kleine schaal constante veranderingen ondergaan als gevolg van de atomaire reorganisatie.

De samenstelling en atomaire rangschikking in bimetalen structuren bepalen hun katalytische prestatie. Nanomaterialen kunnen gemakkelijk agglomereren of de oppervlaktestructuur veranderen vanwege hun hoge oppervlakteactiviteit, waardoor hun katalyse-effectiviteit afneemt. Bovendien kan hun oppervlak gemakkelijk worden vergiftigd door de halfproducten van chemische reacties, dus het voorspellen van de veranderingen die plaatsvinden op bimetalen oppervlakken die de materiaalactiviteit beïnvloeden, is moeilijk.

Dus waarom zou je niet vanaf het begin beginnen en een platform creëren dat deze nanostructuren zou stabiliseren? Eenmaal gesetteld, zouden nanodeeltjes minder gevoelig zijn voor oppervlakteveranderingen. Onderzoekers stelden voor om bimetalen nanodeeltjes te stabiliseren op het elektrisch geleidende materiaal zoals koolstof of koolstofnitride. Vervolgens werd het oppervlak gemodificeerd met polymeer materiaal op basis van het grafietkoolstofnitride (g-C3N4) gemaakt van subeenheden van triazinemoleculen samengevoegd in platte driehoeken die eruitzien als het grafeenvel. Het oppervlak van het bimetaalsysteem werd onderzocht met verschillende spectroscopische technieken.

“De ontwikkeling en optimalisatie van bimetaal nanokatalysatoren zou een nieuwe klasse materialen kunnen opleveren met superieure, instelbare prestaties, thermische stabiliteit en lagere kosten in vergelijking met de momenteel beschikbare commerciële katalysatoren. We verwachten dat dankzij de unieke eigenschappen van dragermateriaal, dwz grafietkoolstof. nitride, kunnen deze katalysatoren een mogelijke toepassing vinden in -thermische / -elektrische / en -fotokatalyse. Voordat dat gebeurt, moet men echter begrijpen hoe het efficiënte bimetaalsysteem moet worden ontworpen, hoe dit systeem werkt onder bedrijfsomstandigheden en waarom de vorm -structuur-activiteit-relatie is belangrijk, ” beweert Izabela S. Pieta.

g-C3N4 heeft een rijke heteroatomenstructuur die katalytische eigenschappen onthult. Dankzij de aanwezigheid van meerdere functionele groepen, kan het gemakkelijk bimetaalsystemen zoals edele Pt-Au Pt-Pd of overgangen op metalen gebaseerde Cu-Ni nanodeeltjes op het oppervlak hosten. Het wordt beschouwd als veelbelovend ondersteunend materiaal dat de bimetalen nanodeeltjes stabiliseert en hun vergiftiging met chemicaliën remt. Bovendien biedt het een enorme kans voor het oogsten van zonne-energie en omzetting in een waardevol product of een andere energievorm.

“Geïnspireerd door de natuur heeft de mensheid geleerd dat zonlicht een van de krachtigste energiebronnen op aarde is. De effectieve omzetting van licht in een bruikbare vorm van energie is voornamelijk beperkt door niet-efficiënte ladingsscheiding en slechte lichtopbrengstkatalysatoren. architectuur. De voorwaarden voor brede spectrale oogst en gunstige uitlijning van het energieniveau voor het beoogde door licht getriggerde proces moeten worden gekoppeld aan snelle ladingsscheiding en -verzameling, waarbij met succes wordt geconcurreerd met fotogeneratieve ladingsrecombinatie. fotoactieve componenten en de geschikte engineering van fotoreactoren. De combinatie van de materiaaleigenschappen en microfluïdica-technologie is een perfecte oplossing die meerdere componenten integreert en een eenvoudige oplossing biedt voor het continue katalytische proces aan dynamische vloeistof-vloeistof, vaste stof-vloeistof of gas-vaste stof-vloeistof grensvlakken , “eerste auteur dr. Ewelina Kuna beweert.

Immobilisatie beschermt tegen oppervlakteveranderingen en agglomeratie van nanodeeltjes en maakt schaalbare toepassing op een groot oppervlak mogelijk.

Opmerkingen dr. Izabela Pieta, “Van de bimetaalkatalytische systemen is bekend dat ze hogere katalytische activiteiten bieden, en ze hebben in veel processen zeer hoge efficiëntie bereikt. We zijn nog steeds gefocust op complexere systemen waarbij de katalysatorsamenstelling en structuurrangschikking kan resulteren in een hogere activiteit selectiviteit voor gerichte producten en verbeterde katalysatorstabiliteit tegen vergiftiging, duurzaamheid en levensduur. Ons onderzoek omvat een fundamenteel begrip van katalytische oppervlakken en de ontwikkeling van reactiemechanismen onder niet-geïsoleerde omstandigheden. Deze kennis zal zeker resulteren in innovatief katalysatorontwerp, zowel op moleculaire schaal. (active site architecture design) en applicatieve schaal (industriële reactorschaal) door het afstemmen van meerdere katalytisch actieve sites en hun verdeling over de werkoppervlakken. “

Bimetallische nanodeeltjes ingebed in het met g-C3N4 gemodificeerde koolstofoppervlak lijken een universeel platform in de katalyse te zijn, en brengen helder licht in de processen die nieuwe nanostructurele oplossingen nodig hebben. Dankzij dergelijke studies gericht op de vorm en structuur-activiteitrelatie in bimetaalsystemen en de immobilisatie ervan op de schaalbare en economische matrix, zijn we een stap dichter bij ontwerpen van de nieuwe en duurzame katalysatoren voor industriële toepassingen.