Wetenschap
Onderzoek naar het potentieel van katalysatoren met één atoom
Er bestaat onder scheikundigen en materiaalwetenschappers een hoge mate van belangstelling en zelfs opwinding over het potentieel van single-atom-katalysatoren (SAC’s), maar hun ontwikkeling is afhankelijk van zeer gespecialiseerde hulpmiddelen die alleen beschikbaar zijn bij synchrotrons zoals de Canadian Light Source (CLS) aan de Universiteit van Saskatchewan (USask).
"Dit is een heel opwindend onderzoeksgebied", zegt dr. Peng Zhang, hoogleraar scheikunde en biomedische technologie aan de Dalhousie University en al jarenlang CLS-gebruiker.
Katalysatoren zijn nanodeeltjes bedekt met materialen (vaak dure metalen zoals platina, palladium en goud) die chemische reacties versnellen. Een belangrijk nadeel van conventionele katalysatoren is dat slechts een klein percentage van het katalytische materiaal wordt gebruikt in de chemische reactie, waardoor ze inefficiënt en verspillend zijn, legt Zhang uit.
Met de groeiende vraag naar schone en duurzame energie kan het gebruik van SAC’s in energiesystemen het milieu helpen en geld besparen. SAC's hebben voordelen zoals het efficiënter maken van reacties, het gebruik van minder zeldzame metalen en het verbeteren van de prestaties van apparaten zoals brandstofcellen en batterijen. Ze kunnen ook helpen duurzame energie uit bronnen als zon en wind op te slaan, waardoor deze betrouwbaarder wordt.
In het geval van autokatalysatoren, die zijn ontworpen om uitlaatemissies om te zetten in minder giftige verontreinigende stoffen, zei Zhang dat minder dan de helft van de platina-atomen in de katalysator beschikbaar is voor de noodzakelijke chemische reactie.
Het doel van SAC-onderzoek is om de atomaire oppervlaktestructuur van katalysatoren te controleren met individuele atomen van het katalytische materiaal in een matrix van goedkoper materiaal, zodat al het materiaal beschikbaar is voor de reactie. "Als je de katalysator ontwerpt met een structuur uit één atoom, kun je de activiteit en prestaties ervan in de katalytische toepassing aanzienlijk verbeteren", zegt Zhang.
De uitdagingen van het werken op het niveau van een enkel atoom zijn aanzienlijk, gaf hij toe, maar dat is waar de CLS in beeld komt.
"Als je aan katalysatoren met één atoom denkt, zijn ze zo klein dat je een speciaal onderzoeksinstrument nodig hebt om hun structuur bloot te leggen" om te begrijpen hoe de atomen zijn gerangschikt en welke atomen aanwezig zijn. "Zelfs met de krachtigste elektronenmicroscoop kun je waarschijnlijk een individueel atoom zien, maar als je synchrotrontechnologie gebruikt, kun je een resolutie krijgen die 100 keer kleiner is."
Zhang begon meer dan twintig jaar geleden synchrotronfaciliteiten en -technieken te gebruiken in zijn materiaalonderzoek als Ph.D. student aan de Universiteit van West-Ontario. Toen de CLS in 2004 werd geopend, "was ik zo opgewonden om te weten dat we onze eerste Canadese synchrotron hebben", zei hij. Sindsdien, en net als zijn eigen Ph.D. supervisor heeft hij zijn studenten naar de CLS en zijn partner synchrotron gestuurd – de Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, nabij Chicago) om ter plaatse SAC-experimenten uit te voeren.
Vanuit fundamenteel onderzoeksperspectief zijn er volgens Zhang nog twee grote hindernissen bij de ontwikkeling van katalysatoren met één atoom.
"Ten eerste willen we echt beter begrijpen waarom sommige katalysatoren met één atoom zo goed en zo actief zijn, maar soms zijn ze na een paar uur misschien niet stabiel, dus moeten we katalysatoren met één atoom ontwerpen die gedurende een lange periode actief zijn. (van tijd). Er is veel werk te doen met deze katalysatoren om ze krachtiger en bruikbaarder te maken."
De andere uitdaging is het opvoeren van SAC-gebruik naar commerciële schaal.
"We willen samenwerken met mensen in de chemische industrie om toepassingen in de echte wereld te vinden", zei Zhang. “In het lab heb je heel kleinschalige katalyse, maar in de chemische industrie is dat duizend keer groter.” Het vermogen om een katalytische reactie van één atoom op te schalen opent de deur naar "allerlei toepassingen in de chemische industrie."
Hoewel het toekomstige potentieel opwindend is, zei Zhang dat fundamenteel SAC-onderzoek onmogelijk zou zijn zonder "toegang tot faciliteiten van wereldklasse zoals de CLS en APS."
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Accounts of Chemical Research .