Tværfagligt samarbejde fører til katalysatorer, der er op til 50 gange mere effektive

Et team af kemikere og fysikere ved Utrecht University er lykkedes med at designe en ny type katalysator. Ved at kombinere to metaller med atompræcision skabte de et yderst effektivt katalytisk materiale. Holdet, ledet af prof. Petra de Jongh (kemi) og prof. Alfons van Blaaderen (fysik), offentliggør deres fund i Naturmaterialer i dag.

Nanopartikler

Katalysatorer påvirker vores samfund stærkt. Ca. 90% af alle industrielle kemiske processer anvender en katalysator til at fremskynde kemiske omdannelser. Disse katalysatorer indeholder typisk små metalpartikler, kaldet nanopartikler, som er omkring 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Strukturen og sammensætningen af ​​disse nanopartikler bestemmer, hvor god katalysatoren er. Selv små ændringer i disse nanopartikler kan føre til store forskelle i ydeevne, medfører derfor betydelige økonomiske og miljømæssige konsekvenser for vores samfund.

Bimetalliske katalysatorer:når to er bedre end en

"En vigtig udvikling i forbedringen af ​​katalytiske materialers ydeevne er at gå fra konventionelle katalysatorer fremstillet af et enkelt metal til bimetalliske katalysatorer, hvor to forskellige metaller kombineres, "forklarer Petra de Jongh. Disse bimetalliske katalysatorer fungerer bedre, men også give anledning til nye udfordringer. "Udfordringen er, at du med konventionelle teknikker har ringe kontrol over strukturen af ​​nanopartikler, resulterer i partikler med varierende mængder af begge metaller, og forskellige former og størrelser, stærkt hæmmer effektiviteten af ​​disse bimetalliske katalysatorer. "Design af bimetalliske katalysatorer med atompræcision var et centralt mål for Jessi van der Hoeven, en ph.d. kandidat, der udførte sin forskning i to grupper på Debye Institute for Nanomaterials, i fællesskab tilsyn af De Jongh (kemi) og Van Blaaderen (fysik).

Arrangering af atomerne i et kerneskalledesign

Van der Hoeven fandt en måde at kombinere to metaller, guld og palladium, i en kerneskal struktureret nanopartikel, mens man kontrollerer antallet af lag af palladiumatomer. Disse nye katalysatorer blev testet i den selektive hydrogenering af butadien, en afgørende proces til rensning af råmaterialer til fremstilling af plast. De Jongh bemærker, "Vi var meget begejstrede for at se, at vi med dette core-shell-design lavede katalysatorer, der fungerer op til 50 gange bedre end dem, der kun består af guld eller kun palladium, eller en tilfældig blanding af de to. "

Van der Hoeven tilføjer, "Til vores overraskelse observerede vi også, at ikke kun typen af ​​atomer på overfladen af ​​nanopartiklen påvirker ydeevnen, men at atomernes natur i lagene under overfladen også betyder noget. "Ved hjælp af teoretiker fra Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland) og spektroskopister fra Sorbonne -universitetet i Paris (Frankrig), medforfattere af publikationen, de undersøgte denne effekt i detaljer.

Masser af plads i bunden

Selvom de nuværende guld-palladium-kerneskal-katalysatorer oversteg deres forventninger, forfatterne er overbeviste om, at der stadig er mange forbedringsmuligheder. "Vi er bare i begyndelsen, "kommentarer van Blaaderen." Nu hvor vi ved, hvordan vi skal arrangere atomerne i nanopartiklerne, den mangfoldighed af strukturer og metalkombinationer, som vi kan udforske, er enorm. "Deres drøm for fremtiden er at blive ved med at bygge katalysatormaterialer nedefra og op, inspireret af fysikeren Richard Feynman, der allerede forudsagde, at "der er masser af plads i bunden" for menneskeheden til at bygge materialer op atom for atom. Eller i dette tilfælde, lag for lag.