Aan het eind van de 18e eeuw, een Schotse chemicus genaamd Elizabeth Fulhame ontdekte dat bepaalde chemische reacties alleen plaatsvonden in de aanwezigheid van water en dat, aan het einde van die reacties, de hoeveelheid water was niet op. Fulhame was de eerste wetenschapper die de kracht van een katalysator aantoonde - een materiaal dat een chemische reactie kan versnellen zonder erdoor te worden verbruikt.

Tweehonderd jaar later, katalysatoren een van de motoren van het moderne leven. De chemische industrie vertrouwt voor 90 procent van haar processen op katalysatoren - alles van het raffineren van olie, aardolie omzetten in plastic, en het produceren van meststoffen, voedsel en medicijnen, om de lucht te wassen van schadelijke verontreinigende stoffen die door auto's en fabrieken worden uitgestoten.

Het ontwerpen van katalytische systemen voor zo'n breed scala aan toepassingen is een grote uitdaging. Katalysatoren moeten worden geïntegreerd in systemen met een breed scala aan formaten, vormen, en materiaalsamenstellingen, en controleren een verscheidenheid aan chemische reacties onder zeer verschillende omstandigheden. In aanvulling, de meeste gespecialiseerde katalysatoren vertrouwen op zeldzame en dure metalen zoals platina, palladium, en rhodium gedragen op metaal- of metaaloxidematrices met een groot oppervlak.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en het Harvard Wyss Institute for Biologically-Inspired Engineering heeft een nieuwe benadering ontwikkeld en getest om het ontwerp van afstembare katalytische systemen te optimaliseren.

Het onderzoek, onder leiding van Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson hoogleraar materiaalkunde en hoogleraar scheikunde en chemische biologie, wordt beschreven in een reeks artikelen gepubliceerd in Geavanceerde materialen , Geavanceerde functionele materialen , en Chemie - een Europees tijdschrift . Aizenberg is ook een kernfaculteitslid van het Wyss Institute.

Een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van effectieve katalysatoren is het ontwerpen van de nanogestructureerde poreuze vaste stoffen waarop en waarin reacties plaatsvinden. Voor een lange tijd, Aizenbergs onderzoek was gericht op het bestuderen van complexe natuurlijke micro- en nanogestructureerde materialen - zoals die in iriserende opalen of in vlindervleugels - en het ontrafelen van de manieren waarop biologie de chemie en morfologie van de bouwstenen op nanoschaal regelt. Geïnspireerd door natuurlijke processen, het team van onderzoekers van SEAS en Wyss ontwikkelde een methodologie om perfecte, zeer geordend, opaalachtige micromaterialen voor een breed scala aan katalytische en fotokatalytische reacties.

Om deze structuren te creëren, introduceerden de onderzoekers een co-assemblagemethode waarbij kleine, sferische deeltjes en matrixprecursoren worden gelijktijdig uit een enkel mengsel afgezet om defectvrije films over centimeterschalen te produceren. De onderzoekers demonstreerden dit proces met veelgebruikte katalytische materialen, inclusief titaan, aluminiumoxide en zirkonia, waarin verschillende mono- en multimetalen nanodeeltjes zijn verwerkt.

"Het uitbreiden van deze methodologie naar niet-biologische kristallijne materialen zal resulteren in architecturen op microschaal met verbeterde fotonische, elektronisch, en katalytische eigenschappen, " zei Tanya Shirman, een postdoctoraal fellow bij SEAS en Technology Development Fellow bij Wyss Institute en co-auteur van het onderzoek.

Bij het ontwerp van de katalytische deeltjes zelf, de onderzoekers wendden zich ook tot de natuur, met behulp van biokatalysatoren, zoals enzymen, voor inspiratie. In biologische systemen, de katalytische materialen op nanoschaal hechten zich aan grotere entiteiten zoals eiwitten en cellen, die zichzelf organiseren om grotere netwerken van nauwkeurig ontworpen katalytische sites te vormen.

"De natuur heeft miljarden jaren aan R&D gehad om het ontwerp van katalytische systemen te perfectioneren, "zei Tanya Shirman. "Als gevolg daarvan, ze zijn ongelooflijk efficiënt en maken de coördinatie en fijnafstemming van geavanceerde reacties mogelijk door een optimale positionering van de katalytische complexen."

De onderzoekers bootsten de hiërarchische architectuur van natuurlijke katalysatoren na door een zeer modulair platform te ontwikkelen dat complexe katalysatoren bouwt uit organische colloïden en anorganische katalytische nanodeeltjes. Het team kan alles regelen, van de samenstelling, maat, en plaatsing van de katalytische nanodeeltjes tot de colloïde grootte, vorm, en connectiviteit, en de algemene vorm en patronen van het netwerk. De resulterende katalytische systemen gebruiken aanzienlijk lagere hoeveelheden edelmetalen dan bestaande katalysatoren.

"Edelmetaal is een zeer beperkte hulpbron, " zei Elia Shirman, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en Wyss Institute en co-auteur van het onderzoek. "Door het ontwerp te optimaliseren en de hoeveelheid edele metalen die in katalytische systemen worden gebruikt, te minimaliseren, we kunnen in het algemeen duurzamere katalysatoren maken en katalytische materialen gebruiken op manieren die momenteel niet betaalbaar zijn."

De methode is relatief eenvoudig:ten eerste, de katalytische nanodeeltjes hechten zich aan de colloïden door verschillende soorten chemische en fysische bindingen. Omhuld met nanodeeltjes, de colloïden worden vervolgens in een matrixprecursoroplossing geplaatst en mogen zichzelf assembleren tot het gewenste patroon, die kan worden gecontroleerd door het samenstel binnen een bepaalde vorm te beperken. als laatste, de colloïden worden verwijderd zodat een gestructureerd netwerk wordt gevormd dat is versierd met nanodeeltjes die gedeeltelijk in de matrix zijn ingebed. Deze hiërarchische poreuze architectuur met stevig bevestigde katalytische plaatsen maximaliseert het oppervlak voor de katalytische reactie en verbetert de robuustheid van de katalysator.

"Ons synthetische platform stelt iemand in staat om de componenten van de assemblage te nemen en een volledig onderling verbonden, sterk geordende poreuze microarchitectuur, waarin katalytische nanodeeltjes op unieke wijze zijn verwerkt, "zei Tanya Shirman. "Dit zorgt voor uitzonderlijke mechanische, thermisch, en chemische stabiliteit, evenals een groot oppervlak en volledige toegankelijkheid voor diffunderende reactanten."

"De technologie die in mijn laboratorium is ontwikkeld, is bijzonder veelbelovend voor het overbruggen van de kloof tussen state-of-the-art R&D en real-world toepassingen, " zei Joanna Aizenberg. "Door het modulaire ontwerp en de afstembaarheid, dit raamwerk kan op verschillende gebieden worden gebruikt, van de synthese van belangrijke chemische producten, vervuiling tegen te gaan. Onze resultaten laten duidelijk zien dat we nu betere katalysatoren kunnen maken, minder edelmetaal gebruiken en bekende katalytische processen verbeteren."

Deze technologie wordt nu gevalideerd en ontwikkeld voor commercialisering door het Wyss Institute.

Het team van Aizenberg richt zich momenteel op de ontwikkeling van katalysatoren van de volgende generatie voor een aantal toepassingen - van schone luchttechnologieën en katalysatoren tot geavanceerde elektroden voor katalytische brandstofcellen - in de hoop hun ontwerpen binnenkort te testen in echte systemen.

Het team behaalde onlangs de tweede plaats in de Harvard's President's Innovation Challenge, die veelbelovende technologiebedrijven identificeert en promoot die het potentieel hebben voor aanzienlijke maatschappelijke en milieueffecten.