Om koolwaterstoffen om te zetten in brandstof, de petrochemische industrie steunt momenteel vooral op heterogene katalysatoren, die in de meeste gevallen actieve metaalplaatsen bevatten met slecht gedefinieerde structuren. In recente jaren, echter, een studiegebied dat bekend staat als oppervlakte-organometaalchemie (SOMC) heeft het ontwerp en de ontwikkeling mogelijk gemaakt van veel meer gedefinieerde, zogenaamde single-site katalysatoren, waarin metaallocaties kunnen worden aangepast aan specifieke eisen.

Christophe Copéret, een professor aan de ETH Zürich, heeft het potentieel van SOMC onderzocht voor het synthetiseren van brandstoffen en energiedragers op manieren die tot nu toe onbereikbaar waren met traditionele technieken. In een recent artikel gepubliceerd in Natuur Energie , hij schrijft dat SOMC nieuwe routes kan openen voor koolwaterstofconversie, en hoe het kan bijdragen aan de ontdekking van belangrijke alkaan homologatieprocessen en aan het begrip van heterogene katalysatoren.

"Ik ben geïnteresseerd in het begrijpen van complexe systemen zoals heterogene katalysatoren op moleculair niveau, Copéret vertelde TechXplore. "Op weg naar dat doel, ons laboratorium heeft expertise ontwikkeld om goed gedefinieerde oppervlaktesoorten te genereren waarbij metalen plaatsen als eerste stap via enting aan oppervlakken worden verankerd."

Om katalysatoren met goed gedefinieerde oppervlaktestructuren te creëren, onderzoekers moeten de dichtheid en aard van de oppervlaktefunctionaliteiten die worden gebruikt om op maat gemaakte moleculaire voorlopers te verankeren, controleren. In hun eerdere onderzoek hebben Copéret en zijn collega's toonden aan dat de resulterende goed gedefinieerde oppervlaktelocaties, ook wel enkele sites genoemd, kan zowel homogene als klassieke heterogene katalysatoren overtreffen.

Deze katalysatoren presteren veel beter dan de overeenkomstige gedragen metaaloxide-metathesekatalysatoren die jarenlang in de petrochemische industrie worden gebruikt. Een probleem met het laatste type katalysatoren is het gebrek aan begrip van actieve sitestructuren die rationele ontwikkelingsstrategieën in de weg staan.

"In recente jaren, we waren geïnteresseerd in het begrijpen van de actieve sites van deze ondersteunde metaaloxiden die in de industrie worden gebruikt door methoden te onderzoeken om goed gedefinieerde oppervlakte-analogen te genereren via onze SOMC-methodologie, namelijk via het verankeren van moleculaire voorlopers op oppervlakken en het genereren van geïsoleerde metaalplaatsen door de resterende organische liganden te verwijderen via eenvoudige nabehandelingen, Copéret legde uit. "Ons doel was om deze goed gedefinieerde analogen te genereren om gedetailleerde spectroscopische studies uit te voeren met het uiteindelijke doel om structuur-activiteitsrelaties op moleculair niveau en richtlijnprincipes af te leiden om deze heterogene katalysatoren te ontwikkelen."

Eigenlijk, SOMC werkt door de opname van metaalsites te beheersen door middel van entbenaderingen, uiteindelijk het genereren van goed gedefinieerde oppervlaktelocaties mogelijk maken. Deze moleculaire benadering maakt het mogelijk om katalysatoren te bouwen met structureel gekarakteriseerde actieve plaatsen, in schril contrast met industriële katalysatoren, die veel complexer zijn vanwege hun bereidingsmethoden in water, bijvoorbeeld, door precipitatie of impregnatie van een zoutmetaal.

Conventionele technieken voor het vervaardigen van katalysatoren hebben de neiging om complexe mengsels en slecht gedefinieerde systemen op te leveren vanwege het ingewikkelde samenspel tussen de metaalzouten, water en de ondersteuning die meerdere oplos-/neerslaggebeurtenissen met zich meebrengt. Anderzijds, katalysatoren die het resultaat zijn van SOMC-processen zijn meestal beter gedefinieerd, waardoor onderzoekers toegang hebben tot structurele informatie over hun metaalsites.

"Chemie in water en oxiden is veel gecompliceerder dan men zou willen denken, "Zei Copéret. "Met onze aanpak, we vereenvoudigen gewoon de chemie."

In zijn recente artikel Copéret vat de belangrijkste troeven van SOMC samen, het benadrukken van het potentieel voor het stimuleren van innovatie in katalyse en in de petrochemische industrie. Hoewel er nog een aantal uitdagingen te overwinnen zijn, hij gelooft dat SOMC uiteindelijk zou kunnen helpen om het begrip van katalytische gebeurtenissen op moleculair niveau te vergroten.

"Katalysatoren voorbereid door SOMC zorgen voor een heel mooi model, waar spectroscopie relevante informatie geeft over actieve soorten, aangezien de meeste oppervlaktesites qua ontwerp vergelijkbaar zijn, Copéret legde uit. "Het stelt iemand ook in staat toegang te krijgen tot de kenmerken van actieve soorten en om structurele informatie over actieve plaatsen in de overeenkomstige industriële katalysatoren voor te stellen."

Tot dusver, Copéret en zijn medewerkers bij ETH Zürich hebben SOMC met succes gebruikt om de actieve plaatsen van heterogene katalysatoren voor de metathese en polymerisatie van olefinen te begrijpen, evenals voor propaandehydrogenering. Het moleculaire begrip dat uit deze modellen is afgeleid, zou uiteindelijk als leidraad kunnen dienen om heterogene katalysatoren op een meer rationele manier te bereiden en is al gebruikt om metatheseprocessen bij lage temperatuur te ontwikkelen.

De onderzoekers voeren nu verdere studies uit waarin ze van plan zijn om de enkele sites die zijn ontwikkeld met SOMC te gebruiken om interfaces en samenstelling van veel complexere systemen te besturen, zoals ondersteunde nanodeeltjes, een nog grotere klasse heterogene katalysatoren. Bij deze systemen het metaal (de metalen), de ondersteuning, en promotors spelen een belangrijke rol, toch worden ze vaak slecht begrepen op moleculair niveau, wat het bijzonder moeilijk maakt om katalysatoren op basis van gedragen nanodeeltjes op een rationele manier te ontwikkelen.

"Zoals samengevat in een artikel dat we eerder dit jaar schreven en op de acc. Chem. Onderzoek . logboek, we gebruiken SOMC en de afgeleide afzonderlijke sites om deze ondersteunde nanodeeltjes voor te bereiden met als doel ondersteunings- en promotoreffecten te begrijpen en een op moleculair gebaseerd leidend principe af te leiden, "Zei Copéret. "We gebruiken deze systemen ook om nieuwe reacties te ontdekken door complexe interfaces te ontwerpen voor het ontwerp van tandemprocessen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk