Kvantepunkter holder atomer i afstand for at øge katalysen

Hold da op, grafen. Helt seriøst, dit greb kan hjælpe med at lave bedre katalysatorer.

Ingeniører fra Rice University har samlet, hvad de siger, kan transformere kemisk katalyse ved i høj grad at øge antallet af enkeltmetaller af overgangsmetal, der kan placeres i en kulstofbærer.

Teknikken anvender grafenkvantepunkter (GQD), 3-5-nanometer partikler af det superstærke 2D-kulstofmateriale, som forankringsstøtter. Disse letter overgangsmetal-enkeltatomer med høj densitet med nok plads mellem atomerne for at undgå klumpning.

Et internationalt team ledet af kemisk og biomolekylær ingeniør Haotian Wang fra Rice's Brown School of Engineering og Yongfeng Hu fra canadisk lyskilde ved University of Saskatchewan, Canada, detaljerede arbejdet i Naturkemi.

De beviste værdien af ​​deres generelle syntese af højt metalbelastning, enkeltatomkatalysatorer ved at lave en GQD-forbedret nikkelkatalysator, der, i en reaktionstest, viste en signifikant forbedring i den elektrokemiske reduktion af kuldioxid sammenlignet med en lavere nikkelbelastningskatalysator.

Wang sagde, at dyre ædelmetaller som platin og iridium studeres bredt af single-atom-katalysatorsamfundet med det formål at reducere den nødvendige masse til katalytiske reaktioner. Men metallerne er svære at håndtere og udgør typisk en lille portion, 5 til 10 vægtprocent eller derunder, af den samlede katalysator, herunder understøttende materialer.

Derimod, Wang-laboratoriet opnåede overgangsmetalbelastninger i en iridium-enkeltatomkatalysator på op til 40 vægtprocent, eller 3 til 4 adskilte enkeltmetalatomer pr. hundrede carbon-substratatomer. (Det er fordi iridium er meget tungere end kulstof.)

"Dette arbejde er fokuseret på et grundlæggende, men meget interessant spørgsmål, vi altid stiller os selv:Hvor mange flere enkeltatomer kan vi indlæse på en kulstofstøtte og ikke ende med aggregering?" sagde Wang, hvis laboratorium fokuserer på energieffektiv katalyse af værdifulde kemikalier.

"Når du krymper størrelsen af ​​bulkmaterialer til nanomaterialer, overfladearealet øges, og den katalytiske aktivitet forbedres, "sagde han." I de seneste år har mennesker er begyndt at arbejde med at krympe katalysatorer til enkeltatomer for at præsentere bedre aktivitet og bedre selektivitet. Jo højere belastning du når, den bedre ydeevne, du kunne opnå. "

"Enkelte atomer præsenterer det maksimale overfladeareal for katalyse, og deres fysiske og elektroniske egenskaber er meget forskellige i forhold til bulk- eller nanoskala -systemer, "sagde han." I denne undersøgelse, vi ønskede at skubbe grænsen for, hvor mange atomer vi kan indlæse på et kulstofsubstrat. "

Han bemærkede, at syntesen af ​​enkeltatomkatalysatorer nu har været en "top-down" eller "bottom-up" -proces. Det første kræver ledige pladser i carbonplader eller nanorør til metalatomer, men fordi de ledige stillinger ofte er for store eller ikke ensartede, metallerne kan stadig aggregeres. Den anden involverer glødning af metal og andre organiske forstadier til at "karbonisere" dem, men metallerne har stadig en tendens til at klynge sig.

Den nye proces tager en midterste tilgang ved at syntetisere GQD'er funktionaliseret med aminlinkere og derefter pyrolysere dem med metalatomerne. Aminerne tværbinder med metalionerne og holder dem spredt, maksimere deres tilgængelighed til at katalysere reaktioner.

"Maksimumet ser ud til at være omkring 3-4 atomprocent ved hjælp af denne fremgangsmåde, "Wang sagde." Fremtidige udfordringer omfatter, hvordan man yderligere øger tætheden af ​​enkeltatomer, sikre høj stabilitet for rigtige applikationer og skalere deres synteseprocesser. "