Fremstilling af nye katalysatorer af unikke metalliske legeringer

Heusler-legeringer er magnetiske materialer fremstillet af tre forskellige metaller, der ikke er magnetiske individuelt. Legeringerne bruges bredt på grund af deres magnetiske og termoelektriske egenskaber, og deres evne til at genvinde deres oprindelige form efter at være blevet deformeret, kendt som formhukommelse. Undersøgelser foretaget af Tohoku Universitys avancerede materialeforsker An-Pang Tsai og kolleger viser nu, at disse materialer også kan finjusteres for at fremskynde kemiske reaktioner. Denne katalytiske evne er gennemgået i tidsskriftet Videnskab og teknologi af avancerede materialer .

Heusler-legeringer har en typisk sammensætning af to dele metal X, en del metal Y, og en del metal Z (X2YZ). Hver af de tre kommer fra et særskilt område af det periodiske system af grundstoffer. Den originale Heusler legering, opdaget i 1898, var Cu ₂ MnAl, lavet af kobber, mangan og aluminium. Mange andre kombinationer af metaller blev senere fundet inden for X2YZ-arrangementet.

Mens Tsai og hans kolleger undersøgte en anden type struktur, kaldet kvasikrystaller, i slutningen af ​​1980'erne, de skabte en række nye forbindelser ved at erstatte eksisterende grundstoffer med andre fra deres samme grupper i det periodiske system, så længe de havde en lignende atomstørrelse. De anvendte senere dette koncept til at fremstille et stort antal nye Heusler-legeringer.

Tsai og hans kolleger undersøgte potentialet af 12 Heusler-legeringer som katalysatorer for propynhydrogenering, en reaktion, der bruges i plastindustrien, og til oxidation af carbonmonoxid, en vigtig proces til at kontrollere forurening. De brugte relativt billige elementer til at fremstille deres legeringer og fandt lovende katalysatorer, der var meget selektive til propynhydrogenering. Disse involverede en kombination af kobolt til metal X, mangan eller jern til metal Y, og gallium eller germanium for metal Z. Holdet havde mistanke om, at legeringernes katalytiske egenskaber kunne finjusteres til specifikke målreaktioner. De fandt også, at metal X er det vigtigste aktive element i disse reaktioner, mens grundstofferne Y og Z er involveret i katalysatorens aktivitet, selektivitet og holdbarhed. Nogle legeringer, som en lavet af kobolt, titanium og tin, viste også lovende for carbonmonoxidoxidation.

Tsai og hans kolleger tror på materialeinformatik, som bruger big data til at opdage nye materialer, kunne være særligt relevant for opdagelsen af ​​nye katalysatorer fra Heusler-legeringer på grund af deres veldefinerede arrangement.

Fremtidig forskning forventes at fokusere på at inkorporere nanopartikler indeholdende katalytiske elementer i krystalgitteret af Heusler-legeringer. Dette ville øge det tilgængelige overfladeareal til katalytiske reaktioner, forbedring af materialets katalytiske aktivitet.

"Det var professor Tsai's passion at lege med elementer og skabe nye materialer, med store succeser fra tidligt, " siger Alok Singh fra Japans National Institute for Materials Science. "Han har patenteret sine seneste værker, og vi håber at se dem i drift i samarbejde med industrien. I mellemtiden, hans kolleger vil blive ved med at arbejde på deres udvikling, med deres fremskridt inspirerende til videre arbejde."