Platform optimerer designet af nye, afstembare katalytiske systemer

I slutningen af ​​1700 -tallet, en skotsk kemiker ved navn Elizabeth Fulhame opdagede, at visse kemiske reaktioner kun forekom i nærværelse af vand, og at, ved afslutningen af ​​disse reaktioner, vandmængden var ikke opbrugt. Fulhame var den første videnskabsmand, der demonstrerede kraften i en katalysator - et materiale, der kan fremskynde en kemisk reaktion uden at blive forbrugt af det.

To hundrede år senere, katalysatorer en af ​​motorerne i det moderne liv. Den kemiske industri er afhængig af katalysatorer i 90 procent af sine processer - alt fra raffinering af olie, gør olie til plast, og produktion af gødning mad og medicin, til at skrubbe luften af ​​skadelige forurenende stoffer, der udsendes fra biler og fabrikker.

Design af katalytiske systemer til en så bred vifte af applikationer er en stor udfordring. Katalysatorer skal integreres i systemer, der spænder over en lang række størrelser, former, og materialesammensætninger, og kontrollere en række kemiske reaktioner under vidt forskellige betingelser. Ud over, de fleste specialiserede katalysatorer er afhængige af sjældne og dyre metaller såsom platin, palladium, og rhodium understøttet på metal- eller metaloxidmatricer med et højt overfladeareal.

Nu, et team af forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Harvard Wyss Institute for Biologically-Inspired Engineering har udviklet og testet en ny tilgang til optimering af designet af afstembare katalytiske systemer.

Forskningen, ledet af Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab og professor i kemi og kemisk biologi, er beskrevet i en række artikler udgivet i Avancerede materialer , Avancerede funktionelle materialer , og Chemistry-A European Journal . Aizenberg er også et kernefakultetsmedlem i Wyss Institute.

En af de største udfordringer ved udvikling af effektive katalysatorer er at designe de nanostrukturerede porøse faste stoffer, og hvor reaktioner finder sted. I lang tid, Aizenbergs forskning har fokuseret på at studere komplekse naturlige mikro- og nanostrukturerede materialer - såsom dem i iriserende opaler eller i sommerfuglvinger - og afsløre måder, biologi styrer kemien og morfologien i dets nanoskala byggesten. Inspireret af naturlige processer, forskerteamet på SEAS og Wyss udviklede en metode til at skabe perfekt, stærkt bestilt, opallignende mikromaterialer til en lang række katalytiske og fotokatalytiske reaktioner.

For at skabe disse strukturer, forskerne introducerede en samlingsmetode, hvor små, sfæriske partikler og matrixforstadier deponeres samtidigt fra en enkelt blanding for at producere fejlfrie film over centimeters skalaer. Forskerne demonstrerede denne proces med meget anvendte katalytiske materialer, herunder titania, aluminiumoxid og zirkoniumoxid, inkorporering af forskellige mono- og multimetalliske nanopartikler.

"Udvidelse af denne metode til ikke-biologiske krystallinske materialer vil resultere i mikroskalaarkitekturer med forbedret fotonisk, elektronisk, og katalytiske egenskaber "sagde Tanya Shirman, en postdoktor ved SEAS og Technology Development Fellow ved Wyss Institute og medforfatter af forskningen.

Ved udformningen af ​​de katalytiske partikler selv, forskerne vendte sig også til naturen, ved hjælp af biokatalysatorer såsom enzymer, til inspiration. I biologiske systemer, de katalytiske materialer i nanoskala fastgøres til større enheder såsom proteiner og celler, som selvorganiserer sig for at danne større netværk af præcist designede katalytiske steder.

"Naturen har haft milliarder af års forskning og udvikling for at perfektionere designet af katalytiske systemer, "sagde Tanya Shirman." Som et resultat, de er utroligt effektive og muliggør koordinering og finjustering af sofistikerede reaktioner gennem optimal placering af de katalytiske komplekser. "

Forskerne efterlignede den hierarkiske arkitektur for naturlige katalysatorer ved at udvikle en stærkt modulær platform, der bygger komplekse katalysatorer fra organiske kolloider og uorganiske katalytiske nanopartikler. Teamet kan styre alt fra sammensætningen, størrelse, og placering af de katalytiske nanopartikler til kolloidstørrelsen, form, og forbindelse, og netværkets overordnede form og mønstre. De resulterende katalytiske systemer bruger betydeligt lavere mængder ædle metaller end eksisterende katalysatorer.

"Ædelmetal er en meget begrænset ressource, "sagde Elijah Shirman, en postdoktor ved SEAS og Wyss Institute og medforfatter af forskningen. "Ved at optimere designet og minimere mængden af ​​ædle metaller, der bruges i katalytiske systemer, vi kan generere mere bæredygtige katalysatorer generelt og bruge katalytiske materialer på måder, der i øjeblikket ikke er overkommelige. "

Metoden er relativt enkel:For det første de katalytiske nanopartikler fastgøres til kolloiderne gennem forskellige former for kemisk og fysisk binding. Belagt med nanopartikler, kolloiderne anbringes derefter i en matrixprekursoropløsning og får lov til selv at samle sig til det ønskede mønster, som kan styres ved at begrænse samlingen inden for en bestemt form. Endelig, kolloiderne fjernes, så et struktureret netværk, der er dekoreret med nanopartikler delvist indlejret inde i matrixen, dannes. Denne hierarkiske porøse arkitektur med fast vedhæftede katalytiske steder maksimerer overfladearealet for den katalytiske reaktion og forbedrer katalysatorens robusthed.

"Vores syntetiske platform giver mulighed for at tage komponenterne i samlingen og danne en fuldt sammenkoblet, stærkt bestilt porøs mikroarkitektur, hvor katalytiske nanopartikler er entydigt inkorporeret, "sagde Tanya Shirman." Dette giver enestående mekanisk, termisk, og kemisk stabilitet samt højt overfladeareal og fuld tilgængelighed for diffunderende reaktanter. "

"Den teknologi, der er udviklet i mit laboratorium, er særligt lovende til at bygge bro mellem topmoderne F&U og applikationer i den virkelige verden, "sagde Joanna Aizenberg." På grund af dets modulære design og afstemning, denne ramme kan bruges på forskellige områder fra syntesen af ​​vigtige kemiske produkter, til forureningsbekæmpelse. Vores resultater viser klart, at vi nu er i stand til at skabe bedre katalysatorer, bruge mindre ædle metaller og forbedre kendte katalytiske processer. "

Denne teknologi er nu ved at blive valideret og udviklet til kommercialisering af Wyss Institute.

Aizenbergs team fokuserer i øjeblikket på at udvikle næste generations katalysatorer til en række applikationer-fra ren luftteknologi og katalysatorer til avancerede elektroder til katalytiske brændselsceller-i håb om snart at teste deres designs i virkelige systemer.

Holdet modtog for nylig andenpladsen i Harvard's President's Innovation Challenge, som identificerer og promoverer lovende teknologivirksomheder, der har potentiale for betydelige samfundsmæssige og miljømæssige konsekvenser.