Understøttede flydende metalkatalysatorer - en ny generation af reaktionsacceleratorer

Katalysatorer er midler, der initierer kemiske reaktioner, fremskynde dem eller øge udbyttet af det ønskede produkt betydeligt. Nye og forbedrede katalysatorer betragtes således som nøglen til at skabe mere bæredygtige og effektive produktionsprocesser i den kemiske industri. I et fælles forskningsprojekt, fem professorer ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) og deres teams har for nylig opdaget, hvordan man kan omgå de kendte ulemper ved de tekniske katalysatorer, der er i brug i øjeblikket ved hjælp af et nyt materialekoncept, der gør skabelsen af ​​væsentligt mere effektiv mulige katalysatorer.

Denne nye generation af katalysatorer anvender flydende dråber af metallegering fastgjort til porøse bærere, som bringes i kontakt med de gasformige reaktanter. De mikroskopisk små dråber af legering er flydende, fordi de indeholder en høj andel gallium, et grundstof med et meget lavt smeltepunkt. På samme tid, denne høje koncentration af gallium sikrer, at atomerne i de opløste sekundære metalkomponenter er grundigt spredt:de enkelte metalatomer i opløsning i galliumet er ansvarlige for den katalytiske effekt. Forskerne har offentliggjort deres resultater i det førende fagtidsskrift Naturkemi .

Understøttede flydende katalysatorer

I løbet af det seneste årti, forskere ved FAU har gentagne gange været i stand til at demonstrere deres internationale fremtræden inden for innovation af katalysatormaterialer. Catalytic Materials er derfor et centralt forskningsområde inden for Cluster of Excellence Engineering of Advanced Materials (EAM) på FAU. Understøttede flydende katalysatorer har ofte været omdrejningspunktet for de FAU-baserede forskere. Disse kombinerer fordelene ved tilpassede molekylære reaktionsacceleratorer med den fordel, at de lettere kan adskilles fra produktet. I konceptet skitseret i artiklen offentliggjort i Naturkemi , brugen af ​​metallegeringer i understøttede flydende katalysatorer er beskrevet for første gang. Ud over, det er også første gang, at katalytisk aktivitet er blevet tilskrevet flydende metallegeringer.

I øvrigt, de oprindeligt testede materialekombinationer har vist sig at overgå de standard tekniske katalysatorer, som det har taget år at udvikle. "Det er særligt interessant, at der er ringe eller ingen deaktivering af de understøttede metalkomplekser, når der dannes kulstofaflejringer på dem, siger professor Peter Wasserscheid. "Det er aflejringer som dette, der er hovedårsagen til deaktivering af katalysatorer, der anvendes til katalytisk omdannelse ved høje temperaturer af den petrokemiske industri." Forskerne var i stand til at påvise denne vigtige effekt i tilfælde af dehydrering af butan. Den særlige strukturelle karakter af denne nye klasse af materialer blev opdaget af fire grupper, der arbejdede i samarbejde:mikroskopisk analyse blev foretaget af teamet under Wolfgang Peuker, teamene af Hans-Peter Steinrück og Christian Papp afsluttede den spektrografiske analyse, Rainer Hocks team var ansvarlig for radiografisk analyse, mens de tilsvarende beregninger blev foretaget af Andreas Görling og hans kolleger.

Gallium:hemmeligheden bag succes

Grundstoffet gallium spiller en central rolle i denne nye klasse af materialer. Gallium smelter ved omkring 30°C og har et kogepunkt på 2400°C. Det besidder den unikke evne at være i stand til at opløse næsten alle andre metaller. Når det udsættes for luft, ultratynde lag af oxid dannes på overfladen af ​​gallium; imidlertid, disse omdannes tilbage til det oprindelige grundstof under de betingelser, der opnås under mange katalytiske processer. Til dato, de FAU-baserede forskere har opnået deres spektakulære resultater med palladium opløst i gallium. Dernæst har de til hensigt at foretage yderligere forskning for at finde ud af, om disse ekstraordinære effekter også kan opnås ved hjælp af uædle metaller opløst i gallium, og også om virkningerne kan reproduceres i forbindelse med andre kemiske reaktioner. "Vores beregninger får os til at antage, at enkelte metalatomer opløst i gallium kan udvise helt andre reaktive egenskaber end dem, som det samme metal i krystallinsk form normalt vil udvise, ' forklarer Andreas Görling. 'Det er derfor, vi er så fascinerede af denne nye klasse af katalytiske materialer. Vi er overbeviste om, at ved hjælp af understøttede legeringskomplekser, der kan udvikles højeffektive og meget omkostningseffektive katalysatorer, der har et betydeligt potentiale med hensyn til industrielle anvendelser, « tilføjer Hans-Peter Steinrück.