Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben aangetoond dat enkele platina-atomen die zijn gevangen in C12A7-kristallen, fungeren als een stabiele en effectieve katalysator voor de hydrogenering van nitroarenen, een essentieel proces bij de productie van vele soorten fijnchemicaliën. Hun aanpak zou een veelzijdige route kunnen worden voor de ontwikkeling van andere katalysatoren met één atoom voor uiteenlopende industriële toepassingen.

Single-atom-katalysatoren (SAC's) zijn op weg om droomkatalysatoren te worden - katalysatoren die uitstekende prestaties vertonen op basis van geoptimaliseerd gebruik van metaalatomen. Veel onderzoeksteams over de hele wereld hebben gewerkt aan het bevorderen van de schaalbare ontwikkeling van SAC's sinds ze voor het eerst werden voorgesteld door Tao Zhang en collega's in China en de VS in 2011.

Nutsvoorzieningen, in een proof-of-concept-onderzoek dat de deur wijd openzet voor de ontwikkeling van een nieuwe reeks SAC's, onderzoekers van Tokyo Tech hebben een katalysator ontworpen en getest die is samengesteld uit enkele platina-atomen die zijn gevangen in C12A7, een nanoporeus kristal dat veel wordt gebruikt bij de productie van aluminiumcement.

De binnenstructuur van C12A7-kristallen is "precies de juiste maat" voor het vangen van enkele metaalatomen, zeggen de onderzoekers in hun paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Onze aanpak is eerder een 'diamant-in-een-ring'-strategie, waarbij de oppervlakteholte van C12A7 kan worden beschouwd als een ring, en het enkele platina-atoom is als een diamant op de ring gefixeerd, ", zegt eerste auteur Tian-Nan Ye van Tokyo Tech's Materials Research Center for Element Strategy.

Ye legt uit dat C12A7 een positief geladen raamwerkstructuur heeft die bestaat uit twaalf kooien van sub-nanometerformaat, elk met een binnendiameter van ongeveer 0,4 nanometer - een geschikte maat voor het vastleggen van individuele metaalatomen. Elke kooi heeft een positieve lading van +1/3, en de oppervlakteholtes hebben een open 'mond' die afzonderlijke metaalatomen kan vangen door elektronische interactie.

Het is aangetoond dat de katalysator zeer stabiel en actief is voor de selectieve hydrogenering van nitroarenen, een belangrijk proces dat vaak wordt gebruikt in de kleurstof- en polymeerindustrie. Het heeft een hogere omzetfrequentie (tot 25, 772 per uur) dan die van op platina gebaseerde katalysatoren die niet worden ondersteund door C12A7. Opmerkelijk, de nieuwe katalysator werkt zelfs bij temperaturen tot 600°C.

Op basis van deze veelbelovende resultaten, de onderzoekers onderzochten of het vangeffect zou kunnen werken met andere metalen. Zoals ze voorspelden, C12A7 was ook in staat om enkele atomen van ruthenium en rhodium te vangen, wat aangeeft dat hun strategie van toepassing zou zijn op verschillende overgangsmetalen.

"Onze bevindingen openen talloze deuren naar de ontwikkeling van nieuwe soorten SAC's voor verschillende katalytische processen, " zegt Ye. Door zijn uitzonderlijk hoge thermische stabiliteit, de C12A7-ondersteuning zou bestand zijn tegen zwaardere omstandigheden die betrokken zijn bij andere industrieel belangrijke processen zoals ammoniaksynthese en CO ₂ vermindering.

Ye wijst erop dat de ontwikkeling van SAC's niet los kan worden gezien van de exploratie van nieuwe materialen. Dit is een belangrijke reden waarom de groep van professor Hideo Hosono bij Tokyo Tech uniek gepositioneerd is om een ​​pionier te zijn in SAC-onderzoek, hij zegt, voortbouwend op een reeks resultaten, waaronder de ontwikkeling van nieuwe halfgeleiders, een op ijzer gebaseerde supergeleider, en het eerste bij kamertemperatuur stabiele elektroden.