Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een metaalvrije, op koolstof gebaseerde katalysator ontdekt die het potentieel heeft om veel goedkoper en efficiënter te zijn voor veel industriële bedrijven. inclusief de productie van bio- en fossiele brandstoffen, elektrokatalyse, en brandstofcellen.

Op hun meest fundamentele deze industriële processen omvatten het splitsen van sterke chemische bindingen, zoals waterstof-waterstof, koolstof-zuurstof, en koolstof-waterstofbindingen. Traditioneel werd dit bereikt met katalysatoren die gebruik maken van overgangs- of edelmetalen, velen van hen zijn duur en laag in natuurlijke overvloed, zoals platina en palladium.

De wetenschappers voerden experimenten uit met een type heterogene katalysator, Stikstof-assemblagekoolstoffen (NAC's), waarbij het ontwerp en de plaatsing van stikstof op het koolstofoppervlak de katalytische activiteit van het materiaal sterk beïnvloedde. Vroeger dacht men dat deze N-atomen op koolstofoppervlakken ver van elkaar verwijderd waren, omdat de nauwe plaatsing van N-atomen thermodynamisch onstabiel is.

Het team in Ames Lab correleerde de N-precursoren en pyrolysetemperatuur voor de NAC-synthese met de N-verdeling en ontdekte dat metastabiele N-assemblages door ontwerp kunnen worden gemaakt en onverwachte katalytische reacties kunnen opleveren. Dergelijke reacties omvatten hydrogenolyse van arylethers, dehydrogenering van ethylbenzeen en tetrahydrochinoline, en hydrogenering van veelvoorkomende onverzadigde functionaliteiten (zoals keton, alkeen, alkyn, en nitrogroepen). Bovendien, de NAC's-katalysatoren zijn robuust met consistente selectiviteit en activiteit voor zowel vloeistof- als gasfasereacties onder hoge temperatuur en/of druk.

"We ontdekten dat hoe de stikstof werd verdeeld over het oppervlak van deze NAC's er echt toe deed, en realiseerde zich tijdens het proces dat dit een geheel nieuw soort chemische activiteit was, " zei Ames Laboratory Associate Scientist Long Qi.

"De ontdekking zou wetenschappers in staat moeten stellen stikstofassemblages te ontwerpen die in staat zijn om meer geavanceerde en uitdagende chemische transformaties tot stand te brengen zonder de noodzaak van overgangsmetalen", zegt Ames Laboratory-wetenschapper Wenyu Huang. "Het is in grote lijnen van toepassing op veel verschillende soorten chemische conversies en industrieën."