En usædvanlig stabil enkeltatomskatalysator

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har vist, at enkelte platinatomer fanget i C12A7 -krystaller fungerer som en stabil og effektiv katalysator til hydrogenering af nitroarener, en vigtig proces i produktionen af ​​mange slags fine kemikalier. Deres tilgang kunne blive en alsidig rute til udvikling af andre enkeltatomkatalysatorer til vidtrækkende industrielle applikationer.

Single-atom katalysatorer (SAC'er) er på vej til at blive drømmekatalysatorer-dem, der udviser fremragende ydeevne baseret på optimeret brug af metalatomer. Mange forskerhold rundt om i verden har arbejdet på at fremme den skalerbare udvikling af SAC'er, siden de første gang blev foreslået af Tao Zhang og kolleger i Kina og USA i 2011.

Nu, i en proof-of-concept undersøgelse, der åbner døren for at udvikle en ny række SAC'er, forskere ved Tokyo Tech har designet og testet en katalysator sammensat af enkelte platinatomer fanget i C12A7, en nanoporøs krystal, der i vid udstrækning bruges til fremstilling af aluminiumholdig cement.

Den indre struktur af C12A7 krystaller er "lige den rigtige størrelse" til at fange enkelt metalatomer, siger forskerne i deres papir offentliggjort i Naturkommunikation .

"Vores tilgang er snarere som en" diamant-i-en-ring "-strategi, hvor overfladehulrummet i C12A7 kan betragtes som en ring, og det eneste platinatom er fastgjort på ringen som en diamant, "siger første forfatter Tian-Nan Ye ved Tokyo Tech's Materials Research Center for Element Strategy.

Ye forklarer, at C12A7 har en positivt ladet rammestruktur, der består af tolv bure i størrelsen sub-nanometer, hver med en indre diameter på omkring 0,4 nanometer - en passende størrelse til at fange individuelle metalatomer. Hvert bur har en positiv ladning på +1/3, og overfladehulrummene har en åben 'mund', der kan fange enkeltmetalatomer gennem elektronisk interaktion.

Katalysatoren har vist sig at være yderst stabil og aktiv mod den selektive hydrogenering af nitroarener, en vigtig proces, der ofte bruges i farve- og polymerindustrien. Det har en højere omsætningsfrekvens (op til 25, 772 pr. Time) end for platinbaserede katalysatorer, der ikke understøttes af C12A7. Bemærkelsesværdigt, den nye katalysator fungerer endda ved temperaturer på op til 600 ° C.

Baseret på disse lovende resultater, forskerne undersøgte, om indfangningseffekten kunne virke ved hjælp af andre metaller. Som de forudsagde, C12A7 var også i stand til at fange enkeltatomer af ruthenium og rhodium, hvilket angiver, at deres strategi ville være anvendelig på forskellige overgangsmetaller.

"Vores fund åbner utallige døre for at udvikle nye slags SAC'er til forskellige katalytiske processer, "siger Ye. På grund af sin usædvanligt høje termiske stabilitet, C12A7 -støtten ville kunne modstå hårdere forhold involveret i andre industrielt vigtige processer såsom ammoniaksyntese og CO ₂ reduktion.

I påpeger, at udviklingen af ​​SAC'er ikke kan adskilles fra efterforskningen af ​​nye materialer. Dette er en vigtig grund til, at professor Hideo Hosonos gruppe ved Tokyo Tech er unikt positioneret til at være en pioner inden for SAC -forskning, han siger, bygger på en række præstationer, herunder udvikling af nye halvledere, en jernbaseret superleder, og det første rumtemperaturstabile elektrid.