Onderzoekers in Australië zijn erin geslaagd sporen van vloeibaar platina te gebruiken om goedkope en zeer efficiënte chemische reacties bij lage temperaturen te creëren, wat een weg vrijmaakte voor drastische emissiereducties in cruciale industrieën.

In combinatie met vloeibaar gallium zijn de benodigde hoeveelheden platina klein genoeg om de aardreserves van dit waardevolle metaal aanzienlijk uit te breiden, terwijl het mogelijk duurzamere oplossingen biedt voor CO₂ reductie, ammoniaksynthese bij de productie van kunstmest en het maken van groene brandstofcellen, samen met vele andere mogelijke toepassingen in de chemische industrie.

Deze bevindingen, die zich richten op platina, zijn slechts een druppel op de gloeiende plaat als het gaat om het potentieel van deze katalysesystemen. Door deze methode uit te breiden, kunnen er meer dan 1.000 mogelijke combinaties van elementen zijn voor meer dan 1.000 verschillende reacties.

De resultaten zullen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry op maandag 6 juni.

Platina is zeer effectief als katalysator (de trigger voor chemische reacties), maar wordt niet veel gebruikt op industriële schaal omdat het duur is. De meeste katalysesystemen met platina hebben ook hoge lopende energiekosten om te gebruiken.

Normaal gesproken is het smeltpunt van platina 1.700°C. En wanneer het in vaste toestand wordt gebruikt voor industriële doeleinden, moet er ongeveer 10% platina in een op koolstof gebaseerd katalytisch systeem zitten.

Het is geen betaalbare verhouding bij het vervaardigen van componenten en producten voor commerciële verkoop.

Dat zou in de toekomst echter kunnen veranderen, nadat wetenschappers van UNSW Sydney en RMIT University een manier hebben gevonden om kleine hoeveelheden platina te gebruiken om krachtige reacties te creëren, en zonder dure energiekosten.

Het team, inclusief leden van het ARC Centre of Excellence in Exciton Science en het ARC Centre of Excellence in Future Low Energy Technologies, combineerde het platina met vloeibaar gallium, dat een smeltpunt heeft van slechts 29,8°C - dat is kamertemperatuur op een hete dag. In combinatie met gallium wordt platina oplosbaar. Met andere woorden, het smelt, en zonder een enorm krachtige industriële oven te ontsteken.

Voor dit mechanisme is verwerking bij verhoogde temperatuur alleen nodig in de beginfase, wanneer platina wordt opgelost in gallium om het katalysesysteem te creëren. En zelfs dan is het slechts een uur of twee rond de 300°C, lang niet de continue hoge temperaturen die vaak vereist zijn in chemische technologie op industriële schaal.

De bijdragende auteur Dr. Jianbo Tang van UNSW vergeleek het met een smid die een hete smidse gebruikt om apparatuur te maken die jaren meegaat.

"Als je met ijzer en staal werkt, moet je het opwarmen om gereedschap te maken, maar je hebt het gereedschap en je hoeft het nooit meer op te warmen", zei hij.

"Andere mensen hebben deze aanpak geprobeerd, maar ze moeten hun katalysesystemen de hele tijd op zeer hoge temperaturen laten draaien."

Om een ​​effectieve katalysator te creëren, moesten de onderzoekers een verhouding van minder dan 0,0001 platina tot gallium gebruiken. En het meest opmerkelijke van alles was dat het resulterende systeem meer dan 1.000 keer efficiënter bleek te zijn dan zijn solid-state rivaal (degene die ongeveer 10% duur platina moest zijn om te werken)

De voordelen houden daar niet op:omdat het een op vloeistof gebaseerd systeem is, is het ook betrouwbaarder. Katalytische systemen in vaste toestand raken uiteindelijk verstopt en werken niet meer. Dat is hier geen probleem. Net als een waterornament met een ingebouwde fontein, ververst het vloeistofmechanisme zichzelf voortdurend, waarbij het zijn effectiviteit gedurende een lange periode zelfreguleert en het katalytische equivalent van vijverresten op het oppervlak voorkomt.

Dr. Md. Arifur Rahim, de hoofdauteur van UNSW Sydney, zei:"Vanaf 2011 waren wetenschappers in staat om katalysatorsystemen te miniaturiseren tot op het atomaire niveau van de actieve metalen. Om de afzonderlijke atomen van elkaar gescheiden te houden, gebruikten de conventionele systemen hebben vaste matrices nodig (zoals grafeen of metaaloxide) om ze te stabiliseren. Ik dacht, waarom niet in plaats daarvan een vloeibare matrix gebruiken en kijken wat er gebeurt.

"De katalytische atomen die op een vaste matrix zijn verankerd, zijn onbeweeglijk. We hebben bij lage temperatuur mobiliteit aan de katalytische atomen toegevoegd door een vloeibare galliummatrix te gebruiken."

Het mechanisme is ook veelzijdig genoeg om zowel oxidatie- als reductiereacties uit te voeren, waarbij respectievelijk zuurstof wordt toegevoerd aan of afgenomen van een stof.

De UNSW-experimentalisten moesten enkele mysteries oplossen om deze indrukwekkende resultaten te begrijpen. Met behulp van geavanceerde computationele chemie en modellering konden hun collega's bij RMIT, onder leiding van professor Salvy Russo, vaststellen dat platina nooit vast wordt, tot op het niveau van individuele atomen.

Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi onthulde het belang van het modelleringswerk van haar RMIT-team.

"Wat we hebben gevonden, is dat de twee platina-atomen nooit met elkaar in contact zijn gekomen", zei ze.

"Ze waren altijd gescheiden door galliumatomen. Er is geen vaste platina-vorming in dit systeem. Het is altijd atomair verspreid in het gallium. Dat is echt cool en het is wat we hebben gevonden met de modellering, die erg moeilijk is om rechtstreeks waar te nemen door middel van experimenten."

Verrassend genoeg is het eigenlijk het gallium dat het werk doet om de gewenste chemische reactie aan te sturen, onder invloed van platina-atomen in de buurt.

Exciton Science Associate Investigator Dr. Andrew Christofferson van RMIT legde uit hoe nieuw deze resultaten zijn:"Het platina bevindt zich eigenlijk een klein beetje onder het oppervlak en activeert de galliumatomen eromheen. Dus de magie gebeurt op het gallium onder invloed van platina .

"Maar zonder het platina daar, gebeurt het niet. Dit is compleet anders dan elke andere katalyse die iemand heeft laten zien, waarvan ik op de hoogte ben. En dit is iets dat alleen door de modellering kan zijn aangetoond." + Verder verkennen

'Dubbele decoratie' versterkt industriële katalysator