Undersøgelse viser, at enkelte atomer kan lave mere effektive katalysatorer

Katalysatorer er kemiske matchmakere:De bringer andre kemikalier tæt på hinanden, øge chancen for, at de reagerer med hinanden og producerer noget, folk ønsker, som brændstof eller gødning.

Da nogle af de bedste katalysatormaterialer også er ret dyre, som platinet i en bils katalysator, videnskabsmænd har ledt efter måder at reducere den mængde, de skal bruge.

Nu har forskerne deres første direkte, detaljeret kig på, hvordan et enkelt atom katalyserer en kemisk reaktion. Reaktionen er den samme, der fjerner giftig kulilte fra bilens udstødning, og individuelle atomer af iridium gjorde arbejdet op til 25 gange mere effektivt end de iridium-nanopartikler, der indeholder 50 til 100 atomer, der bruges i dag.

Forskerholdet, ledet af Ayman M. Karim fra Virginia Tech, rapporterede resultaterne i Naturkatalyse .

"Disse enkeltatom-katalysatorer er i høj grad et varmt emne lige nu, " sagde Simon R. Bare, en medforfatter af undersøgelsen og en fremtrædende personaleforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, hvor centrale dele af arbejdet foregik. "Dette giver os en ny linse at se på reaktioner gennem, og ny indsigt i, hvordan de fungerer."

Karim tilføjede, "Så vidt vi ved, dette er det første papir, der identificerer det kemiske miljø, der gør et enkelt atom katalytisk aktivt, direkte bestemme, hvor aktiv den er sammenlignet med en nanopartikel, og viser, at der er meget fundamentale forskelle – helt andre mekanismer – i måden, de reagerer på."

Er mindre virkelig bedre?

Katalysatorer er rygraden i den kemiske industri og afgørende for olieraffinering, hvor de hjælper med at bryde råolie til benzin og andre produkter. Nutidens katalysatorer kommer ofte i form af nanopartikler knyttet til en overflade, der er porøs som en svamp – så fuld af bittesmå huller, at et enkelt gram af den, udfoldet, kan dække en basketballbane. Dette skaber et enormt område, hvor millioner af reaktioner kan finde sted på én gang. Når gas eller væske strømmer over og gennem den svampede overflade, kemikalier binder sig til nanopartiklerne, reagere med hinanden og flyde væk. Hver katalysator er designet til at fremme én specifik reaktion igen og igen.

Men katalytiske reaktioner finder kun sted på overfladen af ​​nanopartikler, Bare sagde, "og selvom de er meget små partikler, det dyre metal på indersiden af ​​nanopartikler er spildt."

Individuelle atomer, på den anden side, kunne tilbyde den ultimative effektivitet. Hvert atom kunne fungere som en katalysator, griber kemiske reaktanter og holder dem tæt sammen, indtil de binder. Du kan passe mange flere af dem i et givet rum, og ikke et fnug af ædelmetal ville gå til spilde.

Enkelte atomer har en anden fordel:I modsætning til klynger af atomer, som er bundet til hinanden, enkelte atomer er kun knyttet til overfladen, så de har flere potentielle bindingssteder til rådighed til at udføre kemiske tricks – hvilket i dette tilfælde var meget praktisk.

Forskningen i enkeltatom-katalysatorer er eksploderet i løbet af de sidste par år, Karim sagde, men indtil nu har ingen været i stand til at studere, hvordan de fungerer i detaljer nok til at se alle de flygtige mellemtrin undervejs.

Får lidt hjælp

For at få mere information, holdet så på en simpel reaktion, hvor enkelte atomer af iridium splittede iltmolekyler i to, og oxygenatomerne reagerer derefter med kulilte for at skabe kuldioxid.

De brugte fire tilgange - infrarød spektroskopi, elektronmikroskopi, teoretiske beregninger og røntgenspektroskopi med stråler fra SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) – for at angribe problemet fra forskellige vinkler, og dette var afgørende for at få et komplet billede.

"Det er aldrig kun én ting, der giver dig det fulde svar, " sagde Bare. "Det er altid flere brikker af puslespillet, der kommer sammen."

Holdet opdagede, at hvert iridium-atom gør, faktisk, udføre et kemisk trick, der forbedrer dens ydeevne. Det griber et enkelt kuliltemolekyle ud af den passerende gasstrøm og holder fast i det, som en person, der gemmer en pakke under armen. Dannelsen af ​​denne binding udløser bittesmå skift i konfigurationen af ​​iridiumatomets elektroner, der hjælper det med at spalte ilt, så den kan reagere med den resterende kuliltegas og omdanne den til kuldioxid meget mere effektivt.

Flere spørgsmål venter forude:Vil denne samme mekanisme fungere i andre katalytiske reaktioner, giver dem mulighed for at køre mere effektivt eller ved lavere temperaturer? Hvordan påvirker arten af ​​enkeltatomkatalysatoren og overfladen den sidder på dens binding til kulilte og måden, reaktionen forløber på?

Holdet planlægger at vende tilbage til SSRL i januar for at fortsætte arbejdet.