Eilanden van nanoformaat bieden mogelijkheden voor toepassing van enkelatoomkatalysatoren

Een nieuwe methode om afzonderlijke atomen van metalen uit de platinagroep te verankeren op eilanden ter grootte van nanometers maakt het mogelijk om deze dure metalen efficiënt te gebruiken als katalysatoren voor een breed scala aan toepassingen.

Rapporteren in het journaal Natuur, hebben onderzoekers aangetoond dat platina-atomen kunnen worden opgesloten op kleine ceriumoxide-eilanden in een poreus materiaal om reacties te katalyseren zonder aan elkaar te kleven, wat een groot struikelblok was voor hun gebruik. De studie werd geleid door professor Jingyue Liu van de Arizona State University, University of California, Davis, professor Bruce Gates en professor Yong Wang van de Washington State University.

“De stabilisatie van edelmetalen zodat elk atoom een ​​katalysator kan zijn, is een heilige graal op het gebied van katalyse”, zegt Wang, Regents Professor in WSU’s Gene en Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering en een laboratoriummedewerker bij Pacific Northwest National Laboratory. . “We gebruiken niet alleen de minste hoeveelheid metalen uit de platinagroep, maar maken elk atoom ook veel reactiever.”

Katalysatoren, die chemische reacties versnellen, zijn de sleutel tot de technologieën die worden gebruikt bij het maken van chemicaliën en brandstoffen en voor het opruimen van verontreinigende stoffen, waaronder uitlaatgassen van auto’s, vrachtwagens en elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen. Veel katalysatoren bevatten edele metalen zoals platina, rhodium en palladium, die extreem duur zijn.

Begin jaren negentig begonnen onderzoekers te onderzoeken hoe metaalatomen als katalysatoren konden worden geïsoleerd, maar ze waren niet in staat geweest ze te stabiliseren bij de hoge temperaturen die nodig zijn voor katalysatoren en andere praktische toepassingen. Zodra de metaalatomen worden blootgesteld aan de omstandigheden die nodig zijn voor reacties, hebben ze de neiging om samen te klonteren.

Het onderzoeksteam loste het probleem op door de metaalatomen te verspreiden in de nanometergrote eilanden van ceriumoxide. De talrijke eilanden liggen op een commerciële siliciumdioxidedrager die veel wordt gebruikt in veel voorkomende katalytische reacties, maar de metaalatomen zijn uitgesloten van de drager. Met zijn extreem grote oppervlakte is het siliciumdioxide in staat om een ​​zeer groot aantal van de eilanden die de metaalatomen vasthouden in een klein volume te verankeren. Het ceriumoxide plakt als een lijm aan het siliciumdioxide en houdt de afzonderlijke metaalatomen stevig vast zodat ze niet wegdwalen om elkaar te vinden, te klonteren en ineffectief te worden.

De onderzoekers ontdekten dat de eilandgebonden metaalatomen stabiel waren in het katalyseren van reacties onder zowel oxidatieve als reductieve omstandigheden. Oxidatie, waarbij zuurstof aan een stof wordt toegevoegd, wordt in de emissiebeheersingstechnologie gebruikt om schadelijk koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen te verwijderen. Reductie, waarbij waterstof aanwezig is en reageert met andere moleculen, wordt gebruikt voor veel industriële toepassingen, waaronder de productie van brandstoffen, meststoffen en medicijnen.

“De atomaire precisie van de fabricage van de nieuwe katalysatoren kan wegen openen om katalysatoren te ontwerpen met ongekende flexibiliteit bij het plaatsen van gerichte aantallen atomen op elk eiland”, zei Gates. “Dat stelt ons in staat om de reactiviteit te onderzoeken en de meest reactieve soorten te identificeren – om erachter te komen welke structuren en configuraties het meest efficiënt zijn.”

De onderzoekers hopen de aanpak voor een breed scala aan katalytische toepassingen verder te bestuderen.

“Dit werk geeft de wetenschappelijke gemeenschap een nieuw hulpmiddel in de toolkit om de katalytische sitevereiste voor specifieke reacties van belang te begrijpen en voor het ontwikkelen van zeer actieve en stabiele nieuwe katalysatoren”, zei Liu. “Het creëert enorme kansen voor katalytische technologie en brengt atomair gedispergeerde metaalkatalysatoren een grote stap dichter bij praktische toepassingen.”