Wacht daar, grafeen. Ernstig, je grip kan helpen om betere katalysatoren te maken.

Ingenieurs van Rice University hebben verzameld wat volgens hen chemische katalyse kan transformeren door het aantal afzonderlijke overgangsmetaalatomen dat in een koolstofdrager kan worden geplaatst, aanzienlijk te vergroten.

De techniek maakt gebruik van grafeen quantum dots (GQD), 3-5 nanometer deeltjes van het supersterke 2D carbon materiaal, als verankeringssteunen. Deze vergemakkelijken overgangsmetaal-atomen met een hoge dichtheid met voldoende ruimte tussen de atomen om klonteren te voorkomen.

Een internationaal team onder leiding van chemisch en biomoleculair ingenieur Haotian Wang van Rice's Brown School of Engineering en Yongfeng Hu van Canadian Light Source aan de Universiteit van Saskatchewan, Canada, gedetailleerd het werk in Natuur Chemie.

Ze bewezen de waarde van hun algemene synthese van hoog-metaal-ladende, katalysatoren met één atoom door een GQD-versterkte nikkelkatalysator te maken die, in een reactietest, toonde een significante verbetering in de elektrochemische reductie van kooldioxide in vergelijking met een katalysator met een lagere nikkelbelading.

Wang zei dat dure edelmetalen zoals platina en iridium op grote schaal worden bestudeerd door de gemeenschap van katalysatoren met één atoom met als doel de massa die nodig is voor katalytische reacties te verminderen. Maar de metalen zijn moeilijk te hanteren en vormen meestal een klein deel, 5 tot 10 gew.% of minder, van de totale katalysator, inclusief ondersteunende materialen.

Daarentegen, het Wang-lab bereikte overgangsmetaalbelastingen in een iridium enkelatoomkatalysator tot 40 gew.%, of 3 tot 4 uit elkaar geplaatste enkele metaalatomen per honderd koolstofsubstraatatomen. (Dat komt omdat iridium veel zwaarder is dan koolstof.)

"Dit werk is gericht op een fundamentele maar zeer interessante vraag die we onszelf altijd stellen:hoeveel afzonderlijke atomen kunnen we nog op een koolstofdrager laden en niet eindigen met aggregatie?" zei Wang, wiens lab zich richt op energie-efficiënte katalyse van waardevolle chemicaliën.

"Als je bulkmaterialen verkleint tot nanomaterialen, het oppervlak neemt toe en de katalytische activiteit verbetert, " zei hij. "In de afgelopen jaren, mensen zijn begonnen te werken aan het verkleinen van katalysatoren tot enkele atomen om betere activiteit en betere selectiviteit te bieden. Hoe hoger de belasting die u bereikt, hoe beter je zou kunnen presteren."

"Enkele atomen vertegenwoordigen het maximale oppervlak voor katalyse, en hun fysieke en elektronische eigenschappen zijn heel anders in vergelijking met bulk- of nanoschaalsystemen, " zei hij. "In deze studie, we wilden de limiet verleggen van het aantal atomen dat we op een koolstofsubstraat kunnen laden."

Hij merkte op dat de synthese van katalysatoren met één atoom nu een "top-down" of "bottom-up" proces moet zijn geweest. De eerste vereist het maken van vacatures in koolstofplaten of nanobuisjes voor metaalatomen, maar omdat de vacatures vaak te groot of niet uniform zijn, de metalen kunnen nog steeds aggregeren. De tweede omvat het uitgloeien van metaal en andere organische voorlopers om ze te "carboniseren", maar de metalen hebben nog steeds de neiging om te clusteren.

Het nieuwe proces neemt een middenbenadering door GQD's te synthetiseren die zijn gefunctionaliseerd met aminelinkers en ze vervolgens te pyrolyseren met de metaalatomen. De aminen verknopen zich met de metaalionen en houden ze verspreid, het maximaliseren van hun beschikbaarheid om reacties te katalyseren.

"Het maximum lijkt ongeveer 3-4 atoomprocent te zijn met deze benadering, Wang zei. "Toekomstige uitdagingen zijn onder meer hoe de dichtheid van afzonderlijke atomen verder kan worden vergroot, zorgen voor een hoge stabiliteit voor echte toepassingen en het opschalen van hun syntheseprocessen."