Schaalbare tweestaps-gloeimethode voor het bereiden van bibliotheken met ultrahoge dichtheid van één atoomkatalysator

Wetenschappers van de National University of Singapore hebben een algemene natchemische benadering ontwikkeld voor de schaalbare en geautomatiseerde synthese van een bibliotheek van ultra-high-density single-atom katalysatoren (UHD-SAC’s) voor 15 gewone overgangsmetalen op chemisch verschillende dragers via een gecontroleerde twee -stap thermische gloeistrategie.

Katalysatoren spelen een belangrijke rol in een aantal industriële chemische processen en er is een toenemende behoefte aan meer geavanceerde versies om hun effectiviteit te verbeteren. Heterogene enkelvoudige atoomkatalysatoren (SAC’s) zijn een nieuwe klasse van katalysatoren die bestaat uit geïsoleerde metaalatomen die afzonderlijk op het oppervlak van dragers zijn gedispergeerd. Hun unieke geometrische en elektronische eigenschappen hebben het potentieel om de selectiviteit van de beoogde katalytische reacties aanzienlijk te verbeteren en de operationele kosten te verlagen. Sinds het concept van SAC’s in 2011 werd bedacht, is de belangstelling voor deze klasse SAC’s-materialen wereldwijd enorm toegenomen, waarbij de nadruk ligt op het gebruik ervan om de efficiëntie van chemische transformaties voor duurzame industriële processen te verbeteren. Een fundamentele uitdaging voor het implementeren van deze baanbrekende klasse van katalysatoren in veel technische toepassingen is het ontbreken van synthetische routes om ze met hoge oppervlaktedichtheden te produceren. Het bereiken van dit laatste is vooral belangrijk om de productiviteit van de katalysatoren in grootschalige industriële processen te maximaliseren.

Een NUS-onderzoeksteam onder leiding van prof. Jiong Lu van de afdeling Chemie en het Institute for Functional Intelligent Materials, National University of Singapore, heeft dit uitdagende probleem aangepakt door een schaalbare en veelzijdige tweestaps-gloeimethode te ontwikkelen voor het voorbereiden van bibliotheken van ultrahoge- dichtheid SAC’s. Dit werk is een samenwerking tussen Prof Javier Pérez-Ramírez van ETH Zürich, Prof Jun Li van Tsinghua University en Dr. Xiaoxu Zhao van Nanyang Technological University (NTU). De methode maakt gebruik van de controle van ligandverwijdering uit metaalprecursoren en hun bijbehorende interacties met de drager om het materiaaloppervlak te verzadigen met metaalatomen.

Een selectief verankeringsmechanisme dat de kans maximaliseert om het metaalatoom aan alle beschikbare coördinatieplaatsen op het materiaaloppervlak te binden, helpt om een ​​hoog niveau van metaaldekking te behouden. Metaalatomen die niet zijn vastgehecht, worden vervolgens verwijderd door te wassen. Dit voorkomt mogelijke metaalsintering in de daaropvolgende gloeistap bij hoge temperatuur die wordt gebruikt om de resterende liganden te verwijderen. De gloeistap zorgt ook voor de stabilisatie van de veel hogere metaalgehaltes in vergelijking met conventionele impregnatieroutes (zie figuur (a)). Deze schaalbare synthetische route voor de ontwikkeling van UHD-SAC’s is aangetoond voor 15 veel voorkomende overgangsmetalen met behulp van chemisch verschillende dragers van verschillende aard (inclusief met stikstof gedoteerde koolstof, polymere koolstofnitride, ceria, alumina en titania) met een belasting van meer dan 20 gew.% (zie figuur (b)). Bovendien is de voorgestelde aanpak gemakkelijk vatbaar voor een gestandaardiseerde, geautomatiseerde protocol (zie figuur (c) en figuur (d)) het demonstreert zijn robuustheid en biedt een levensvatbaar pad om een ​​groot aantal bibliotheken van mono- of multimetallische katalysatoren te verkennen.

Het team toonde de potentiële voordelen van een hoge belasting van SAC’s in verschillende katalytische systemen, die variëren van elektrochemische, thermische en organische katalyse, wat de noodzaak illustreert om de metaaldichtheid aan het oppervlak te optimaliseren voor een specifieke katalytische toepassing. Bovendien weerspiegelt de ladingsafhankelijke plaatsspecifieke activiteit die wordt waargenomen in verschillende katalytische systemen de bekende complexiteit in heterogeen katalysatorontwerp. Dit kan nu worden aangepakt met een bibliotheek van SAC’s met breed afstembare metaalbelastingen.

Prof Lu zei: “Ons werk heeft al lang bestaande problemen opgelost in katalyse met één atoom, inclusief laaddichtheid en schaalbare fabricage van deze baanbrekende klasse van UHD-SAC’s. Dit is cruciaal voor hun industriële implementatie in duurzame chemische en energietransformaties.”