Wetenschappers hebben een nieuw type katalysator ontwikkeld die zal leiden tot nieuwe, duurzame manieren om moleculen te maken en te gebruiken en de toevoer van edele metalen te beschermen.

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Nottingham heeft een nieuw type katalysator ontworpen dat functies combineert waarvan eerder werd gedacht dat ze elkaar uitsluiten en een proces ontwikkeld om nanoclusters van metalen op grote schaal te fabriceren.

In hun nieuwe onderzoek vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ze tonen aan dat het gedrag van nanoclusters van palladium niet overeenkomt met de orthodoxe kenmerken die katalysatoren als homogeen of heterogeen definiëren.

traditioneel, katalysatoren zijn onderverdeeld in homogene, wanneer katalytische centra innig worden gemengd met reactantmoleculen, en heterogeen, waar reacties plaatsvinden op het oppervlak van een katalysator. Gebruikelijk, scheikundigen moeten compromissen sluiten bij het kiezen van een of ander type, aangezien homogene katalysatoren selectiever en actiever zijn, en heterogene katalysatoren zijn duurzamer en herbruikbaar. Echter, de nanoclusters van palladiumatomen lijken de traditionele categorieën te trotseren, zoals aangetoond door het bestuderen van hun katalytisch gedrag in de reactie van cyclopropanering van styreen.

Katalysatoren maken bijna 80 procent van de industriële chemische processen mogelijk die de meest vitale ingrediënten van onze economie leveren, van materialen (zoals polymeren) en farmaceutica tot agrochemicaliën, waaronder meststoffen en gewasbescherming. De grote vraag naar katalysatoren betekent dat de wereldwijde aanvoer van veel bruikbare metalen, inclusief goud, platina en palladium, raken snel uitgeput. De uitdaging is om elk atoom maximaal te benutten. Exploitatie van metalen in de vorm van nanoclusters is een van de krachtigste strategieën om het actieve oppervlak dat beschikbaar is voor katalyse te vergroten. Bovendien, wanneer de afmetingen van nanoclusters door de nanometerschaal breken, de eigenschappen van het metaal kunnen drastisch veranderen, leiden tot nieuwe fenomenen die anders ontoegankelijk zijn op macroschaal.

Het onderzoeksteam gebruikte analytische en beeldvormende technieken om de structuur te onderzoeken, dynamiek, en chemische eigenschappen van de nanoclusters, om de innerlijke werking van deze ongewone katalysator op atomair niveau te onthullen.

De ontdekking van het team is de sleutel om het volledige potentieel van katalyse in de chemie te ontsluiten, wat leidt tot nieuwe manieren om moleculen te maken en te gebruiken op de meest atoom-efficiënte en energie-veerkrachtige manieren.

Het onderzoek werd geleid door Dr. Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow van de School of Chemistry, hij zei:"We gebruiken de meest directe manier om nanoclusters te maken, door simpelweg de atomen uit het bulkmetaal te schoppen door een bundel snelle ionen van argon - een methode die magnetronsputteren wordt genoemd. Gebruikelijk, deze methode wordt gebruikt voor het maken van coatings of films, maar we hebben het afgestemd om metalen nanoclusters te produceren die op bijna elk oppervlak kunnen worden afgezet. belangrijk, de nanoclustergrootte kan nauwkeurig worden gecontroleerd door experimentele parameters, van enkel atoom tot enkele nanometers, zodat een array van uniforme nanoclusters binnen enkele seconden op aanvraag kan worden gegenereerd."

Dr. Andreas Weilhard, een postdoc-onderzoeker van Green Chemicals Beacon in het team voegde toe:"Met deze methode geproduceerde metalen clusters zijn volledig 'naakt', en dus zeer actief en toegankelijk voor chemische reacties die leiden tot een hoge katalytische activiteit."

Professor Peter Licentie, directeur van het GSK Carbon Neutral Laboratory aan de Universiteit van Nottingham voegde toe:"Deze methode van katalysatorfabricage is niet alleen belangrijk omdat het het meest economische gebruik van zeldzame metalen mogelijk maakt, maar het doet het op de schoonste manier, zonder dat er oplosmiddelen of chemische reagentia nodig zijn, waardoor er zeer weinig afval ontstaat, wat een steeds belangrijkere factor is voor groene chemische technologieën."

De universiteit gaat een grootschalig project starten om dit werk uit te breiden met onderzoek dat zal leiden tot de bescherming van bedreigde elementen.

Professor Andrei Chlobystov, hoofdonderzoeker van MASI, zei:"Ons project zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop metalen worden gebruikt in een breed scala aan technologieën, en om onze afhankelijkheid van kritisch bedreigde elementen te doorbreken. specifiek, MASI boekt vooruitgang in:de reductie van kooldioxide (CO ₂ ) emissies en de valorisatie ervan tot nuttige chemicaliën; de productie van 'groene' ammoniak (NH ₃ ) als alternatieve emissievrije brandstof en een nieuwe vector voor waterstofopslag; en de levering van duurzamere brandstofcellen en elektrolysertechnologieën."

Metalen nanoclusters worden geactiveerd voor reacties met moleculen, die kan worden aangedreven door warmte, licht of elektrisch potentieel, terwijl afstembare interacties met ondersteunende materialen zorgen voor duurzaamheid en herbruikbaarheid van katalysatoren. Vooral, MASI-katalysatoren zullen worden toegepast voor de activering van moeilijk te kraken moleculen (bijv ₂ , H ₂ en co ₂ ) in reacties die de ruggengraat vormen van de chemische industrie, zoals het Haber-Bosch-proces.