Overfladeorganometallisk kemi kan åbne nye veje for syntetiske brændstoffer og energibærere

At omdanne kulbrinter til brændstof, den petrokemiske industri er i øjeblikket primært afhængig af heterogene katalysatorer, som i de fleste tilfælde indeholder aktive metalsteder med dårligt definerede strukturer. I de seneste år, imidlertid, et studieområde kendt som overfladeorganometallisk kemi (SOMC) har muliggjort design og udvikling af langt mere definerede, såkaldte single-site katalysatorer, hvor metalpladser kan skræddersyes til at opfylde specifikke krav.

Christophe Copéret, professor ved ETH Zürich, har undersøgt SOMC's potentiale til at syntetisere brændstoffer og energibærere på måder, som hidtil har været uopnåelige ved brug af traditionelle teknikker. I et nyligt papir offentliggjort i Naturenergi , han skriver, at SOMC kan åbne nye ruter for kulbrintekonvertering, samt hvordan det kan bidrage til opdagelsen af ​​vigtige alkanhomologeringsprocesser og til forståelsen af ​​heterogene katalysatorer.

"Jeg er interesseret i at forstå komplekse systemer såsom heterogene katalysatorer på molekylært niveau, " fortalte Copéret TechXplore. "Mod det mål, vores laboratorium har udviklet ekspertise til at generere veldefinerede overfladearter, hvor metalsteder er forankret til overflader som et første trin via podning."

For at skabe katalysatorer med veldefinerede overfladestrukturer, forskere skal kontrollere tætheden og arten af ​​overfladefunktionaliteterne, der bruges til at forankre skræddersyede molekylære prækursorer. I deres tidligere forskning, Copéret og hans kolleger viste, at de resulterende veldefinerede overfladesteder, også omtalt som enkeltsteder, kan overgå både homogene og klassiske heterogene katalysatorer.

Disse katalysatorer yder langt bedre end de tilsvarende understøttede metaloxidmetatesekatalysatorer, der har været brugt i den petrokemiske industri i årevis. Et problem med sidstnævnte type katalysatorer er manglen på forståelse af aktive site-strukturer, der hindrer rationelle udviklingsstrategier.

"I de seneste år, vi har været interesseret i at forstå de aktive steder for disse understøttede metaloxider, der bruges i industrien, ved at udforske metoder til at generere veldefinerede overfladeanaloger via vores SOMC-metodologi, nemlig via forankring af molekylære prækursorer på overflader og generering af isolerede metalsteder ved at fjerne de resterende organiske ligander via simple efterbehandlinger, " Copéret forklarede. "Vores mål var at generere disse veldefinerede analoger for at udføre detaljerede spektroskopiske undersøgelser med det ultimative mål at udlede struktur-aktivitet-forhold på molekylært niveau og vejledende principper for at udvikle disse heterogene katalysatorer."

I det væsentlige, SOMC fungerer ved at kontrollere inkorporeringen af ​​metalsteder gennem podningsmetoder, i sidste ende muliggør generering af veldefinerede overfladesteder. Denne molekylære tilgang gør det muligt at bygge katalysatorer med strukturelt karakteriserede aktive steder, i skarp kontrast til industrielle katalysatorer, som er langt mere komplekse på grund af deres fremstillingsmetoder i vand, for eksempel, gennem udfældning eller imprægnering af et saltmetal.

Konventionelle teknikker til fremstilling af katalysatorer har en tendens til at give komplekse blandinger og dårligt definerede systemer på grund af det indviklede samspil mellem metalsaltene, vand og den støtte, der involverer flere opløsnings-/udfældningshændelser. På den anden side, katalysatorer som følge af SOMC-processer har en tendens til at være bedre definerede, giver forskere adgang til strukturel information om deres metalsteder.

"Kemi i vand og oxider er langt mere kompliceret, end man måske vil tro, " sagde Copéret. "Ved at bruge vores tilgang, vi forenkler bare kemien."

I sin nylige avis, Copéret opsummerer SOMCs nøgleaktiver, fremhæver dets potentiale for at fremme innovation inden for katalyse og i den petrokemiske industri. Selvom der stadig er flere udfordringer at overvinde, han mener, at SOMC i sidste ende kan være med til at øge forståelsen af ​​katalytiske hændelser på molekylært niveau.

"Katalysatorer fremstillet af SOMC giver en meget flot model, hvor spektroskopi giver relevant information om aktive arter, da de fleste af overfladeområderne er ens i naturen af ​​design, " Copéret forklarede. "Det giver også mulighed for at få adgang til signaturen af ​​aktive arter og at foreslå strukturel information om aktive steder i de tilsvarende industrielle katalysatorer."

Indtil nu, Copéret og hans samarbejdspartnere ved ETH Zürich har med succes brugt SOMC til at forstå de aktive steder af heterogene katalysatorer til metatese og polymerisation af olefiner, samt til propandehydrogenering. Den molekylære forståelse afledt af disse modeller kunne i sidste ende tjene som et ledende princip til at fremstille heterogene katalysatorer på en mere rationel måde og er allerede blevet brugt til at udvikle lavtemperaturmetateseprocesser.

Forskerne udfører nu yderligere undersøgelser, hvor de planlægger at bruge de enkelte steder udviklet ved hjælp af SOMC til at styre grænseflader og sammensætning af langt mere komplekse systemer, såsom understøttede nanopartikler, en endnu større klasse af heterogene katalysatorer. I disse systemer, metallet/metallerne, støtten, og initiativtagerne spiller vigtige roller, alligevel er de ofte dårligt forstået på molekylært niveau, hvilket gør katalysatorer baseret på understøttede nanopartikler særligt vanskelige at udvikle på en rationel måde.

"Som opsummeret i en artikel, vi skrev tidligere i år og publiceret på Acc. Chem. Res . tidsskrift, vi bruger SOMC og de afledte enkeltsteder til at forberede disse understøttede nanopartikler med det mål at forstå støtte- og promotoreffekter og at udlede molekylærbaseret vejledende princip, " sagde Copéret. "Vi bruger også disse systemer til at opdage nye reaktioner ved at designe komplekse grænseflader til design af tandemprocesser."

© 2019 Science X Network