Een team van energieonderzoekers onder leiding van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota heeft een apparaat uitgevonden dat het ene metaal elektronisch omzet, zodat het zich als een ander gedraagt ​​voor gebruik als katalysator bij chemische reacties. Het apparaat, een 'katalytische condensor' genaamd, is het eerste dat aantoont dat alternatieve materialen die elektronisch zijn gemodificeerd om nieuwe eigenschappen te bieden, snellere, efficiëntere chemische verwerking kunnen opleveren.

De uitvinding opent de deur voor nieuwe katalytische technologieën die niet-edele metaalkatalysatoren gebruiken voor belangrijke toepassingen zoals de opslag van hernieuwbare energie, het maken van hernieuwbare brandstoffen en het vervaardigen van duurzame materialen.

Het onderzoek is online gepubliceerd in JACS Au , waar het werd geselecteerd als een Editor's Choice publicatie. Het team werkt ook samen met het University of Minnesota Office of Technology Commercialization en heeft een voorlopig patent op het apparaat.

Chemische verwerking was de afgelopen eeuw afhankelijk van het gebruik van specifieke materialen om de productie van chemicaliën en materialen die we in ons dagelijks leven gebruiken, te bevorderen. Veel van deze materialen, zoals edelmetalen ruthenium, platina, rhodium en palladium, hebben unieke elektronische oppervlakte-eigenschappen. Ze kunnen fungeren als zowel metalen als metaaloxiden, waardoor ze van cruciaal belang zijn voor het beheersen van chemische reacties.

Het grote publiek is waarschijnlijk het meest bekend met dit concept in verband met de toename van diefstallen van katalysatoren op auto's. Katalysatoren zijn waardevol vanwege het rhodium en palladium dat erin zit. Palladium kan zelfs duurder zijn dan goud.

Deze dure materialen zijn over de hele wereld vaak schaars en zijn een grote belemmering geworden voor de voortschrijdende technologie.

Om deze methode te ontwikkelen voor het afstemmen van de katalytische eigenschappen van alternatieve materialen, vertrouwden de onderzoekers op hun kennis van hoe elektronen zich aan oppervlakken gedragen. Het team heeft met succes een theorie getest dat het toevoegen en verwijderen van elektronen aan het ene materiaal het metaaloxide kan veranderen in iets dat de eigenschappen van een ander materiaal nabootst.

"Atomen willen hun aantal elektronen echt niet veranderen, maar we hebben het katalytische condensorapparaat uitgevonden waarmee we het aantal elektronen aan het oppervlak van de katalysator kunnen afstemmen", zegt Paul Dauenhauer, een MacArthur Fellow en professor in de chemische technologie en materiaalwetenschap aan de Universiteit van Minnesota, die het onderzoeksteam leidde. "Dit opent een geheel nieuwe mogelijkheid voor het beheersen van de chemie en het maken van overvloedige materialen als kostbare materialen."

Het katalytische condensorapparaat gebruikt een combinatie van nanometerfilms om elektronen aan het oppervlak van de katalysator te verplaatsen en te stabiliseren. Dit ontwerp heeft het unieke mechanisme om metalen en metaaloxiden te combineren met grafeen om een ​​snelle elektronenstroom mogelijk te maken met oppervlakken die afstembaar zijn voor chemie.

"Met behulp van verschillende dunnefilmtechnologieën combineerden we een nanoschaalfilm van aluminiumoxide gemaakt van goedkoop overvloedig aluminiummetaal met grafeen, dat we vervolgens konden afstemmen om de eigenschappen van andere materialen over te nemen", zegt Tzia Ming Onn, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Minnesota die de katalytische condensors heeft gefabriceerd en getest. "Het substantiële vermogen om de katalytische en elektronische eigenschappen van de katalysator af te stemmen overtrof onze verwachtingen."

Het ontwerp van de katalytische condensor is breed inzetbaar als platformapparaat voor een reeks productietoepassingen. Deze veelzijdigheid komt van de nanometerfabricage waarin grafeen is verwerkt als een mogelijk onderdeel van de actieve oppervlaktelaag. Het vermogen van het apparaat om elektronen te stabiliseren (of de afwezigheid van elektronen die "gaten" worden genoemd) kan worden aangepast met een variërende samenstelling van een sterk isolerende binnenlaag. De actieve laag van het apparaat kan ook elk basiskatalysatormateriaal met extra additieven bevatten, die vervolgens kunnen worden afgestemd om de eigenschappen van dure katalytische materialen te bereiken.

"We beschouwen de katalytische condensor als een platformtechnologie die kan worden geïmplementeerd in een groot aantal productietoepassingen", zegt Dan Frisbie, een professor en hoofd van de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota en lid van het onderzoeksteam. "De belangrijkste ontwerpinzichten en nieuwe componenten kunnen worden aangepast aan bijna elke chemie die we ons kunnen voorstellen."

Het team is van plan om hun onderzoek naar katalytische condensors voort te zetten door het toe te passen op edele metalen voor enkele van de belangrijkste duurzaamheids- en milieuproblemen. Er lopen al verschillende parallelle projecten om hernieuwbare elektriciteit op te slaan als ammoniak, de belangrijkste moleculen in hernieuwbare kunststoffen te produceren en gasvormige afvalstromen te reinigen. + Verder verkennen

Toekomstige katalysatoren kunnen meer waar voor je geld geven