Ontdekking van nanoclusters beschermt edele metalen

Wetenschappers hebben een nieuw type katalysator ontwikkeld die zal leiden tot nieuwe, duurzame manieren om moleculen te maken en te gebruiken en de toevoer van edele metalen te beschermen.

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Nottingham heeft een nieuw type katalysator ontworpen dat eigenschappen combineert waarvan eerder werd gedacht dat ze elkaar uitsluiten, en een proces ontwikkeld om nanoclusters van metalen op grote schaal te fabriceren.

In hun nieuwe onderzoek, vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatielaten ze zien dat het gedrag van nanoclusters van palladium niet overeenkomt met de orthodoxe kenmerken die katalysatoren als homogeen of heterogeen definiëren.

Traditioneel worden katalysatoren verdeeld in homogeen, wanneer katalytische centra innig worden gemengd met reactantmoleculen, en heterogeen, waarbij reacties plaatsvinden op het oppervlak van een katalysator. Gewoonlijk moeten scheikundigen compromissen sluiten bij het kiezen van een of ander type, aangezien homogene katalysatoren selectiever en actiever zijn en heterogene katalysatoren duurzamer en herbruikbaarder zijn. De nanoclusters van palladiumatomen lijken echter de traditionele categorieën te trotseren, zoals blijkt uit het bestuderen van hun katalytische gedrag in de reactie van cyclopropanering van styreen.

Katalysatoren maken bijna 80 procent van de industriële chemische processen mogelijk die de meest vitale ingrediënten van onze economie leveren, van materialen (zoals polymeren) en farmaceutische producten tot landbouwchemicaliën, waaronder meststoffen en gewasbescherming. De grote vraag naar katalysatoren betekent dat de wereldwijde voorraden van veel bruikbare metalen, waaronder goud, platina en palladium, snel uitgeput raken. De uitdaging is om elk atoom maximaal te benutten. Exploitatie van metalen in de vorm van nanoclusters is een van de krachtigste strategieën om het actieve oppervlak dat beschikbaar is voor katalyse te vergroten. Bovendien, wanneer de afmetingen van nanoclusters door de nanometerschaal breken, kunnen de eigenschappen van het metaal drastisch veranderen, wat leidt tot nieuwe fenomenen die anders ontoegankelijk zijn op macroschaal.

Het onderzoeksteam gebruikte analytische en beeldvormende technieken om de structuur, dynamiek en chemische eigenschappen van de nanoclusters te onderzoeken, om de innerlijke werking van deze ongebruikelijke katalysator op atomair niveau te onthullen.

De ontdekking van het team bevat de sleutel om het volledige potentieel van katalyse in de chemie te ontsluiten, wat leidt tot nieuwe manieren om moleculen te maken en te gebruiken op de meest atoom-efficiënte en energie-veerkrachtige manieren.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow van de School of Chemistry, hij zei: “We gebruiken de meest directe manier om nanoclusters te maken, door simpelweg de atomen uit het bulkmetaal te schoppen door een straal van snelle ionen van argon – een methode die magnetronsputteren wordt genoemd. Meestal wordt deze methode gebruikt voor het maken van coatings of films, maar we hebben het afgestemd om metalen nanoclusters te produceren die op bijna elk oppervlak kunnen worden afgezet. Belangrijk is dat de nanoclustergrootte nauwkeurig kan worden gecontroleerd door experimentele parameters, van enkel atoom tot enkele nanometers, zodat op aanvraag binnen enkele seconden een array van uniforme nanoclusters kan worden gegenereerd.”

Dr. Andreas Weilhard, een postdoc-onderzoeker van Green Chemicals Beacon in het team, voegde toe: “Met deze methode geproduceerde metaalclusters zijn volledig ‘naakt’, en dus zeer actief en toegankelijk voor chemische reacties die leiden tot een hoge katalytische activiteit.”

Professor Peter Licence, directeur van het GSK Carbon Neutral Laboratory aan de Universiteit van Nottingham voegde toe: “Deze methode van katalysatorfabricage is niet alleen belangrijk omdat het het meest economische gebruik van zeldzame metalen mogelijk maakt, maar het doet het ook op de schoonste manier, zonder enige noodzaak. voor oplosmiddelen of chemische reagentia, waardoor er zeer weinig afval ontstaat, wat een steeds belangrijkere factor is voor groene chemische technologieën.”

De universiteit gaat een grootschalig project starten om dit werk uit te breiden met onderzoek dat zal leiden tot de bescherming van bedreigde elementen.

Professor Andrei Khlobystov, hoofdonderzoeker van MASI, zei: “Ons project zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop metalen worden gebruikt in een breed scala aan technologieën, en om onze afhankelijkheid van kritisch bedreigde elementen te doorbreken. MASI zal met name vooruitgang boeken in: de vermindering van van kooldioxide (CO₂) emissies en de valorisatie ervan tot nuttige chemicaliën; de productie van ‘groene’ ammoniak (NH₃) als alternatieve emissievrije brandstof en een nieuwe vector voor waterstofopslag; en de levering van duurzamere brandstofcellen en elektrolysertechnologieën.”

Metalen nanoclusters worden geactiveerd voor reacties met moleculen, die kunnen worden aangedreven door warmte, licht of elektrisch potentieel, terwijl afstembare interacties met ondersteunende materialen zorgen voor duurzaamheid en herbruikbaarheid van katalysatoren. In het bijzonder zullen MASI-katalysatoren worden toegepast voor de activering van moeilijk te kraken moleculen (bijv. N₂, H₂ en co₂) in reacties die de ruggengraat vormen van de chemische industrie, zoals het Haber-Bosch-proces.