Ny Nitrogen-Assembly Carbon-katalysator har potentiale til at transformere kemisk fremstilling

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har opdaget en metalfri kulstofbaseret katalysator, der har potentialet til at være meget billigere og mere effektiv for mange industrielle bekymringer, herunder fremstilling af bio- og fossile brændstoffer, elektrokatalyse, og brændselsceller.

På deres mest grundlæggende, disse industriprocesser involverer spaltning af stærke kemiske bindinger, som brint-brint, kulstof-ilt, og kulstof-hydrogen-bindinger. Traditionelt er dette blevet opnået med katalysatorer, der bruger overgangs- eller ædelmetaller, mange af dem dyre og lav i naturlig overflod - som platin og palladium.

Forskerne udførte eksperimenter med en type heterogen katalysator, Nitrogen-Assembly Carbons (NAC'er), hvor udformningen og placeringen af ​​nitrogen på kulstofoverfladen i høj grad påvirkede materialets katalytiske aktivitet. Disse N-atomer på kulstofoverflader blev tidligere antaget at være fjernt fra hinanden, da den tætte placering af N-atomer er termodynamisk ustabil.

Holdet i Ames Lab korrelerede N-prækursorerne og pyrolysetemperaturen for NACs-syntesen med N-fordelingen og opdagede, at metastabile N-samlinger kan fremstilles ved design og levere uventede katalytiske reaktioner. Sådanne reaktioner omfatter hydrogenolyse af arylethere, dehydrogenering af ethylbenzen og tetrahydroquinolin, og hydrogenering af almindelige umættede funktionaliteter (såsom keton, alken, alkyn, og nitrogrupper). I øvrigt, NACs katalysatorer er robuste med ensartet selektivitet og aktivitet til både væske- og gasfasereaktioner under høj temperatur og/eller tryk.

"Vi opdagede, at hvordan nitrogenet blev fordelt på overfladen af ​​disse NAC'er virkelig betød noget, og i processen indså, at dette var en helt ny form for kemisk aktivitet, " sagde Ames Laboratory Associate Scientist Long Qi.

"Opdagelsen skulle gøre det muligt for forskere at designe nitrogensamlinger, der er i stand til at udføre mere sofistikerede og udfordrende kemiske transformationer uden behov for overgangsmetaller," sagde Ames Laboratory-forsker Wenyu Huang. "Det gælder bredt for mange forskellige typer kemiske konverteringer og industrier."