Nieuwe richtlijnen van Nebraska en Chinese onderzoekers kunnen het ontwerp van goedkopere, efficiëntere katalysatoren die erop gericht zijn de productie van waterstof als hernieuwbare brandstof op te voeren.

Xiao Cheng Zeng en collega's van Nebraska hebben verschillende over het hoofd geziene factoren geïdentificeerd die cruciaal zijn voor de prestaties van katalysatoren met één atoom:individuele atomen, meestal metallisch en verankerd door omringende moleculaire raamwerken, die chemische reacties op gang brengen en versnellen.

Het team vouwde die variabelen samen tot een eenvoudige vergelijking die wat Zeng beschreef als 'back-of-the-envelope-berekeningen' vereist. Die vergelijking zou onderzoekers in staat moeten stellen om gemakkelijk te voorspellen hoe de keuze van het atoom en het omringende materiaal de katalytische prestaties zal beïnvloeden. Daten, onderzoekers hebben vaak vertrouwd op tijdrovend vallen en opstaan ​​​​om veelbelovende katalysatoren met één atoom te vinden.

"Al deze (relevante) informatie kan eenvoudig worden verzameld uit een leerboek, " zei Zeng, Chancellor's universiteitshoogleraar chemie. "Zelfs vóór een experiment, je kunt snel zien of het een goede manier is om de katalysator te maken. We vereenvoudigen het proces."

Met behulp van de vergelijking, het team ontdekte verschillende atoom-raamwerkcombinaties die de prestaties van edelmetaalkatalysatoren benaderen:platina, goud, iridium - voor slechts een duizendste van de kosten. Eén verwisselde een platina-atoom voor mangaan; een ander verving iridium door kobalt.

"Er zijn twee (primaire) manieren om de prijs van deze katalysatoren te verlagen, Zeng zei. "Een daarvan is om zo min mogelijk metalen te gebruiken - dus katalysatoren met één atoom zijn het goedkoopst. De andere richting is het vinden van alternatieve metalen zoals ijzer of aluminium of zink die erg goedkoop zijn."

Twee van de atoom-raamwerkcombinaties van het team kunnen water splitsen in zijn samenstellende delen:een zuurstofatoom en twee waterstofatomen, waarvan de laatste kan dienen als groene brandstof voor voertuigen en andere toepassingen. Twee andere katalysatorkandidaten helpen zuurstofatomen meer elektronen op te nemen, ze klaarmaken om zich te binden met positief geladen waterstofatomen en water te vormen - het gewenste bijproduct van waterstofbrandstofcellen.

"Direct, dit is niet de gangbare manier om waterstof te produceren, Zeng zei. "De industrie gebruikt nog steeds fossiele brandstoffen om waterstof te produceren. Het is gewoon goedkoper. Dus dat is onze motivatie:verlaag de kosten zodat al deze schonere, brandstofproducerende reacties worden (levensvatbaar)."

Scoutingverslag

De onderzoekers ontdekten dat het aantal en de aard van atomen die rechtstreeks aan een katalysator met één atoom zijn gebonden, een diepgaande invloed kan hebben op de manier waarop deze chemische reacties katalyseert. In sommige gevallen, het katalyserende atoom kan aan drie of vier andere atomen zijn bevestigd, die elk zelf deel uitmaken van een ring met vijf of zes atomen. Elk atoom in dat directe netwerk heeft ook een bekende aantrekkingskracht op elektronen, met de kracht van die aantrekkingskracht die de katalytische prestaties verder beïnvloedt.

De rangschikking en eigenschappen van die naburige atomen zijn van belang, Zeng zei, op dezelfde manier dat een aanvalslinie belangrijk is voor een stationaire, pocketpasserende quarterback. En de nieuwe vergelijking van het team zou kunnen dienen als een verkenningsrapport voor onderzoekers die de sterke punten van hun personeel willen versterken of de zwakke punten willen verbergen. hij zei.

Voor Zeng en zijn collega's, dat het personeel bestond uit meer dan 20 zogenaamde overgangsmetalen die over het algemeen slechter zijn dan edelmetalen bij het katalyseren van reacties. Maar het team toonde aan dat rond een kobalt, ijzer of een ander atoom van de tweede snaar met de juiste omgeving - soms een honingraat van koolstofatomen die bekend staat als grafeen, soms kan een netwerk van stikstofatomen zijn prestaties verhogen.

"Elke aanvalslinie is anders, Zeng zei. "Hoe laat je de quarterback het beste functioneren in die zak? Hoe vind je de beste quarterback in verschillende zakken?

"Als je een quarterback met twee sterren hebt, je hebt een betere aanvalslinie nodig. Maar zelfs een back-up quarterback kan goed presteren met de juiste lijn."

Zeng schreef de studie met collega's van de Beijing University of Chemical Technology. De studie verscheen in het tijdschrift Natuur Katalyse en werd gemarkeerd in Chemisch en technisch nieuws , een tijdschrift uitgegeven door de American Chemical Society.