Vaste-matrixkatalysatoren, heterogene katalysatoren genoemd, behoren tot de meest wijdverbreide industriële toepassingen bij het verminderen van giftige gassen, onverbrande brandstof, en deeltjes in de uitlaatstroom van de verbrandingskamer. Ze worden ook gebruikt in energie, chemisch, en farmaceutische sectoren, d.w.z., productie van biodiesel, polymeren, omzetting van biomassa/afval in waardevolle producten, en vele andere processen. Allemaal dankzij hun actieve sites en hoge oppervlakte. Hoe dan ook, hun hoge efficiëntie wordt beperkt door de astronomische prijs van edele metalen, Dus, kosteneffectieve substituten met vergelijkbare effectiviteit lijken een heilige graal voor de industrie. Een recent artikel gepresenteerd door wetenschappers van het Institute of Physical Chemistry, Poolse Academie van Wetenschappen onder leiding van dr. eng. Izabela S. Pieta staat voor de uitdaging om nieuwe nanostructurele bimetaalcomposiet voor katalyse te presenteren.

C zoals katalyse

Katalysatoren zijn overal en hebben een enorme impact op chemische processen. Ze omringen ons zelfs in de natuur; bijvoorbeeld, cellen hebben natuurlijke katalysatoren zoals enzymen nodig voor meerdere biochemische processen. Hetzelfde gebeurt op het gebied van energieconversie, waar vaste katalysatoren technologische processen nastreven. Volgens de verbrandingsmotoren edele metalen zoals platina worden op de rookgassen geplaatst die uit de verbrandingskamer stromen. Zodra giftige gassen het oppervlak van de katalysator raken, ze ontbinden, de eindproducten CO . geven ₂ en H ₂ O. Het geheim ligt in de actieve plaatsen op het materiaal die de adsorptie-energie van de tussenproducten voor reactie en de activering van overgangstoestanden beïnvloeden. Het laatste mechanisme van bindingsverbreking leidt tot de vorming van bepaalde moleculen. Het maakt edelmetalen rocksterren in industriële toepassingen.

In de afgelopen decennia, toepassing van katalysatoren enorm gegroeid, een kritiek punt bereiken voor hoge kosten van edele metalen die nodig zijn voor brandstof, farmacie, en de productie van chemische verbindingen. Dus, economische katalyse met een hoog rendement werd een van de belangrijkste uitdagingen voor toekomstige vooruitgang in veel industriële technologieën. Zeker, het is bijna onmogelijk om één materiaal te leveren dat aan alle industriële vereisten voldoet. We kunnen zeker veel katalysatoractiviteit en zelfs duurzaamheid verbeteren door chemische modificaties van actieve oppervlakken voor het gegeven proces, terwijl laten we bij het begin beginnen:de grootte van de katalysator. Nanomaterialen bieden een hoge oppervlakte-volumeverhouding die hun activiteit verhoogt. In het geval van edele metalen, het behoud van nanometrische grootte maakt deze materialen zeer actief, het verschaffen van sterke binding van reactanten en selectiviteit van katalysatoren.

Nieuwe katalysatoren aan de horizon

Onlangs, wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie onder leiding van dr. Izabela S. Pieta beschreef nanostructurele bimetaalkatalysatoren geïmmobiliseerd op het halfgeleidende oppervlak voor hun mogelijke toepassing in thermische, foto-, en elektrokatalyse. Van die systemen is al gemeld dat ze buitengewone resultaten opleveren in processen die zijn gericht op brandstofcellen, d.w.z., methanol en ethanol elektro-oxidatie (I.S.Pieta et al. Toegepaste Katalyse B:Milieu , 2019, 244), duurzame groene chemicaliën, en brandstofproductie (I.S.Pieta et al. Toegepaste Katalyse B:Milieu , 2019, 244, en ACS Duurzame Chemie en Engineering, 2020, 8(18), en zelfs reductie van kooldioxide in de richting van gasvormige en vloeibare brandstoffen (I.S.Pieta et al. Geavanceerde materialen interfaces, 2021, 2001822). Laten we ze eens nader bekijken.

In bimetalen nanostructuren, twee metalen, bijv. Pt Au, zijn aangesloten, waar het primaire metaal als gastheer fungeert, en de tweede is een gast. Met andere woorden, het is een legering, terwijl op nanometrische schaal, de verdeling van bepaalde atomen in de deeltjes heeft een enorme betekenis.

interessant, bimetaalstructuren hebben een hogere katalytische activiteit in vergelijking met monometallische tegenhangers. Hun verbinding kan verschillen van een mengsel van twee verschillende metalen waarbij de tweede vrij regelmatig is verdeeld in de matrix van de eerste of kern-schaalstructuur waar het eerste metaal is bedekt met het tweede. Een andere optie zijn nanostructuren met twee chemisch verschillende helften (Janus-nanodeeltjes genoemd) of twee chemisch verschillende nanodeeltjes met elkaar verbinden. Helaas, deze combinaties van twee verschillende metalen kunnen door de atomaire reorganisatie op zo'n kleine schaal constant veranderen.

De samenstelling en atomaire rangschikking in bimetaalstructuren bepalen hun katalytische prestatie. Nanomaterialen kunnen gemakkelijk agglomereren of de oppervlaktestructuur veranderen vanwege hun hoge oppervlakteactiviteit, hun katalyse-effectiviteit verminderen. Bovendien, hun oppervlak kan gemakkelijk worden vergiftigd door de halfproducten van chemische reacties, dus het voorspellen van de veranderingen die plaatsvinden op bimetalen oppervlakken die de materiële activiteit beïnvloeden, is moeilijk.

Dus waarom niet bij het begin beginnen en een platform creëren dat deze nanostructuren zou stabiliseren? Eenmaal geregeld, nanodeeltjes zouden minder gevoelig zijn voor oppervlakteveranderingen. Onderzoekers stelden voor om bimetalen nanodeeltjes te stabiliseren op het elektrisch geleidende materiaal zoals koolstof of koolstofnitride. Vervolgens, het oppervlak werd gemodificeerd met polymeer materiaal op basis van het grafietkoolstofnitride (g-C3N4) gemaakt van subeenheden van triazinemoleculen die zijn samengevoegd in platte driehoeken die eruitzien als de grafeenplaat. Het oppervlak van het bimetalen systeem werd onderzocht met verschillende spectroscopische technieken.

"De ontwikkeling en optimalisatie van bimetalen nanokatalysatoren zou een nieuwe klasse materialen kunnen opleveren met superieure, afstembare prestaties, thermische stabiliteit, en lagere kosten in vergelijking met de momenteel beschikbare commerciële katalysatoren. We verwachten dat dankzij de unieke eigenschappen van dragermateriaal, d.w.z., grafiet koolstofnitride, deze katalysatoren kunnen een potentiële toepassing vinden in -thermische/-elektro/ en -fotokatalyse. Echter, voordat dat gebeurt, men moet begrijpen hoe het efficiënte bimetaalsysteem moet worden ontworpen, hoe dit systeem werkt onder bedrijfsomstandigheden, en waarom de relatie vorm-structuur-activiteit van belang is, " beweert Izabela S. Pieta.

g-C3N4 heeft een rijke heteroatomenstructuur die katalytische eigenschappen onthult. Dankzij de aanwezigheid van meerdere functionele groepen, het kan gemakkelijk bimetaalsystemen op het oppervlak bevatten, zoals het edele Pt-Au Pt-Pd, of overgangen op metalen gebaseerde Cu-Ni nanodeeltjes. Het wordt beschouwd als een veelbelovend ondersteunend materiaal dat de bimetalen nanodeeltjes stabiliseert en hun vergiftiging met chemicaliën remt. Bovendien, het geeft een enorme kans om zonne-energie te oogsten en om te zetten in een waardevol product of een andere energievorm.

"Geïnspireerd door de natuur, de mensheid heeft geleerd dat zonlicht een van de krachtigste energiebronnen op aarde is. De effectieve omzetting van licht in een bruikbare vorm van energie is voornamelijk beperkt door niet-efficiënte ladingsscheiding en slechte architectuur van lichtoogstkatalysatoren. De voorwaarden voor brede spectrale oogsten en gunstige uitlijning van het energieniveau voor het beoogde door licht geactiveerde proces moeten worden gekoppeld aan snelle scheiding en verzameling van ladingen, succesvol concurreren met fotogegenereerde ladingsrecombinatie. Het bovengenoemde probleem kan worden opgelost door de juiste selectie van fotoactieve componenten en de geschikte engineering van fotoreactoren. De combinatie van materiaaleigenschappen en microfluïdische technologie is een perfecte oplossing die meerdere componenten integreert en een eenvoudige oplossing biedt voor het continue katalytische proces bij dynamische vloeistof-vloeistof, Vaste vloeistof, of gas-vast-vloeistof-interfaces, "Eerste auteur dr. Ewelina Kuna beweert.

Immobilisatie beschermt tegen oppervlakteveranderingen en agglomeratie van nanodeeltjes en maakt schaalbare toepassing op een groot oppervlak mogelijk.

Opmerkingen Dr. Izabela Pieta, "Het is bekend dat de bimetaalkatalytische systemen hogere katalytische activiteiten bieden, en ze maakten het mogelijk om in veel processen zeer hoge efficiënties te bereiken. We zijn nog steeds gefocust op complexere systemen waarbij de samenstelling en structuur van de katalysator kunnen resulteren in een hogere activiteit maar een hogere selectiviteit voor gerichte producten en een verbeterde stabiliteit van de katalysator tegen vergiftiging, duurzaamheid, en levensduur. Ons onderzoek omvat een fundamenteel begrip van katalytische oppervlakken en de ontwikkeling van reactiemechanismen onder niet-geïsoleerde omstandigheden. Deze kennis zal zeker resulteren in innovatief katalysatorontwerp, zowel op moleculaire schaal (ontwerp van actieve site-architectuur) als op applicatieve schaal (industriële reactorschaal) via het afstemmen van meerdere katalytische actieve sites en hun verdeling over de werkoppervlakken."

Bimetaal nanodeeltjes ingebed in het g-C3N4 gemodificeerde koolstofoppervlak lijkt een universeel platform in katalyse te zijn, helder licht brengen in de processen die nieuwe nanostructurele oplossingen nodig hebben. Dankzij dergelijke studies gericht op de vorm en structuur-activiteitsrelatie in bimetalen systemen en de immobilisatie ervan op de schaalbare en economische matrix, we zijn een stap dichter bij de ontwerpen van de nieuwe en duurzame katalysatoren voor de industrie.