Enkele atomen verankeren voor katalyse

Er is een gezegde om “nooit een draaiend systeem te veranderen”. Nieuwe methoden kunnen echter veel beter zijn dan oudere. Terwijl chemische reacties tot op heden voornamelijk worden versneld door katalytische materialen die uit enkele honderden atomen bestaan, zou het gebruik van enkele atomen een nieuwe benadering voor katalyse kunnen opleveren.

Een internationaal onderzoeksteam, onder leiding van de TU Wien, Oostenrijk, heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om individuele atomen gecontroleerd en stabiel op oppervlakken te verankeren. Dit is een belangrijke stap in de richting van katalyse met één atoom. De onderzoekers van Bernhard C. Bayer presenteerden de nieuwe methode in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano.

Enkele atomen ter vervanging van nanodeeltjes

Moderne katalysatoren bestaan ​​uit nanodeeltjes en zijn daarom erg klein. Gezien hun grootte op atomaire schaal, bestaan ​​ze echter nog steeds uit honderden atomen, veel groter dan katalysatoren met één atoom. Als het mogelijk zou worden om chemische reacties met enkelvoudige atomen te versnellen, zou dit nieuwe mogelijkheden voor katalyse kunnen bieden. Katalyse met één atoom kan duurzamer en energiezuiniger zijn en kan ook selectiever zijn en een hogere omzet opleveren dan traditionele processen.

In de nieuw ontwikkelde methode dienen siliciumatomen als “ankers” voor afzonderlijke metaalatomen. Siliciumatomen zelf komen vaak voor als een onzuiverheid in de koolstofdragermaterialen. Aan deze siliciumatomen zijn nu indiumatomen gebonden, die als katalysatoren met één atoom kunnen werken. “De indiumatomen binden selectief aan de siliciumankers in het koolstofkristalrooster”, zegt Bernhard C. Bayer van het Institute for Materials Chemistry van de TU Wien. “Daardoor blijven de individuele indiumatomen stabiel en verankerd op hun posities en klonteren ze niet samen”, vervolgt Bayer, die het onderzoek leidde. “Wat de nieuwe technologie bijzonder opwindend maakt, is dat de indiumatomen op een zelf-geassembleerde manier verankerd zijn, als de reactieomstandigheden goed zijn. Dit maakt het proces potentieel schaalbaar”, voegt Kenan Elibol van de Universiteit van Wenen en het Trinity College Dublin toe. en eerste auteur van de studie.

Het proces bracht echter ook zijn uitdagingen met zich mee die het onderzoeksteam met succes aanging. Vooral de afzetting van individuele atomen op vaste drageroppervlakken is moeilijk. Dit komt omdat afzonderlijke atomen zich normaal gesproken snel van hun locatie verwijderen en samenklonteren om grotere deeltjes te vormen. De vorming van dergelijke grotere deeltjes doet de voordelen van katalyse met één atoom teniet.

Verdere testen volgen

Met behulp van een elektronenmicroscoop met hoge resolutie aan de Universiteit van Wenen kon het onderzoeksteam de mechanismen van de siliciumverankering van de indium-enkele atomen observeren. “We konden aantonen dat de verankering van de indiumatomen afhangt van hoe de siliciumankers in het koolstofkristalrooster zijn gebonden”, zegt Toma Susi van de Universiteit van Wenen, die de ankerstructuren verder ophelderde met moderne computermethoden. “Een dergelijke gecontroleerde en bij kamertemperatuur stabiele verankering van individuele atomen op vaste oppervlakken is nog niet gemeld en opent spannende perspectieven voor katalytische toepassingen op het gebied van energie en milieu”, voegt Dominik Eder van de TU Wien en een expert in katalyse toe .

Er zullen nog experimenten volgen, zodat de door de Weense onderzoekers ontwikkelde methode ook industrieel kan worden toegepast: “De afzonderlijke atomen die met de nieuwe methode zijn geplaatst, moeten nu in detail worden getest als katalysatoren voor verschillende chemische reacties”, zegt Bernhard C. Bayer.