De "tien-elektronenregel" biedt richtlijnen voor het ontwerp van katalysatoren van legeringen met één atoom voor gerichte chemische reacties.

Een team van vier universiteiten heeft een zeer eenvoudige regel ontdekt voor het ontwerpen van katalysatoren van legeringen met één atoom voor chemische reacties. De ‘tien-elektronenregel’ helpt wetenschappers zeer snel veelbelovende katalysatoren voor hun experimenten te identificeren. In plaats van uitgebreide vallen en opstaan-experimenten van computersimulaties die veel rekenkracht vereisen, kan de samenstelling van katalysatoren eenvoudigweg worden voorgesteld door naar het periodiek systeem te kijken.

Legeringen met één atoom zijn een klasse katalysatoren gemaakt van twee metalen:een paar atomen reactief metaal, de doteerstof genoemd, worden verdund in een inert metaal (koper, zilver of goud). Deze recente technologie is uiterst efficiënt in het versnellen van chemische reacties, maar traditionele modellen leggen niet uit hoe ze werken.

Het team, dat werkte aan de Universiteit van Cambridge, University College London, de Universiteit van Oxford en de Humboldt-Universiteit van Berlijn, heeft hun onderzoek gepubliceerd in Nature Chemistry . De wetenschappers maakten computersimulaties om de onderliggende wetten te ontrafelen die bepalen hoe katalysatoren van legeringen met één atoom werken.

De regel liet een eenvoudig verband zien:chemicaliën binden het sterkst aan katalysatoren van legeringen met één atoom wanneer de doteerstof omgeven is door tien elektronen. Dit betekent dat wetenschappers die experimenten ontwerpen nu eenvoudigweg de kolommen van het periodiek systeem kunnen gebruiken om te bepalen welke katalysatoren de gewenste eigenschappen voor hun reacties zullen hebben.

Dr. Romain Réocreux, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van prof. Angelos Michaelides, die dit onderzoek leidde, zegt:“Als je een moeilijke chemische reactie hebt, heb je een katalysator nodig met optimale eigenschappen. Aan de ene kant een sterk bindende Een katalysator kan uw reactie vergiftigen en niet meer versnellen; aan de andere kant kan een zwak bindende katalysator gewoon niets doen."

"Nu kunnen we de optimale katalysator identificeren door simpelweg naar een kolom in het periodiek systeem te kijken. Dit is zeer krachtig omdat de regel eenvoudig is en de ontdekking van nieuwe katalysatoren voor bijzonder moeilijke chemische reacties kan versnellen."

Prof. Stamatakis, hoogleraar Computationele Anorganische Chemie aan de Universiteit van Oxford, die heeft bijgedragen aan het onderzoek, zegt:“Na een decennium van intensief onderzoek naar legeringen met één atoom hebben we nu een elegant, eenvoudig maar krachtig theoretisch raamwerk dat de binding verklaart energietrends en stelt ons in staat voorspellingen te doen over katalytische activiteit."

Met behulp van deze regel stelde het team een ​​veelbelovende katalysator voor voor een elektrochemische versie van het Haber-Bosch-proces, een sleutelreactie voor de synthese van meststoffen die dezelfde katalysator gebruikt sinds deze voor het eerst werd ontdekt in 1909.

Dr. Julia Schumann, die het project startte aan de Universiteit van Cambridge en nu aan de Humboldt-Universität van Berlijn werkt, legt uit:“Veel katalysatoren die tegenwoordig in de chemische industrie worden gebruikt, zijn in het laboratorium ontdekt met behulp van vallen en opstaan. Met een beter begrip van de eigenschappen van de materialen kunnen we nieuwe katalysatoren voorstellen met verbeterde energie-efficiëntie en verminderde CO₂ emissies voor industriële processen."

Meer informatie: Regel voor het tellen van tien elektronen voor de binding van adsorbaten op katalysatoren van legeringen met één atoom, Natuurchemie (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6

Aangeboden door Universiteit van Cambridge