Flydende platin ved stuetemperatur:Den seje katalysator for en bæredygtig revolution inden for industriel kemi

Forskere i Australien har været i stand til at bruge spormængder af flydende platin til at skabe billige og højeffektive kemiske reaktioner ved lave temperaturer, hvilket åbner en vej til dramatiske emissionsreduktioner i afgørende industrier.

Kombineret med flydende gallium er mængderne af platin, der kræves, små nok til betydeligt at udvide jordens reserver af dette værdifulde metal, samtidig med at de potentielt tilbyder mere bæredygtige løsninger for CO₂ reduktion, ammoniaksyntese i gødningsproduktion og skabelse af grønne brændselsceller sammen med mange andre mulige anvendelser i kemiske industrier.

Disse resultater, der fokuserer på platin, er kun en dråbe i det flydende metalhav, når det kommer til potentialet i disse katalysesystemer. Ved at udvide denne metode kan der være mere end 1.000 mulige kombinationer af elementer for over 1.000 forskellige reaktioner.

Resultaterne vil blive offentliggjort i tidsskriftet Nature Chemistry mandag den 6. juni.

Platin er meget effektiv som katalysator (udløseren for kemiske reaktioner), men er ikke udbredt i industriel skala, fordi det er dyrt. De fleste katalysesystemer, der involverer platin, har også høje løbende energiomkostninger til drift.

Normalt er smeltepunktet for platin 1.700°C. Og når det bruges i fast tilstand til industrielle formål, skal der være omkring 10 % platin i et kulstofbaseret katalytisk system.

Det er ikke et overkommeligt forhold, når man forsøger at fremstille komponenter og produkter til kommercielt salg.

Det kan dog ændre sig i fremtiden, efter at forskere ved UNSW Sydney og RMIT University har fundet en måde at bruge små mængder platin til at skabe kraftige reaktioner og uden dyre energiomkostninger.

Holdet, herunder medlemmer af ARC Center of Excellence in Exciton Science og ARC Center of Excellence in Future Low Energy Technologies, kombinerede platin med flydende gallium, som har et smeltepunkt på kun 29,8°C - det er stuetemperatur på en varm dag. Når det kombineres med gallium, bliver platinet opløseligt. Med andre ord, det smelter og uden at fyre op i en enormt kraftig industriovn.

For denne mekanisme kræves behandling ved forhøjet temperatur kun i det indledende stadium, når platin opløses i gallium for at skabe katalysesystemet. Og selv da er det kun omkring 300°C i en time eller to, ikke i nærheden af ​​de konstante høje temperaturer, der ofte kræves i industriel kemiteknik.

Medvirkende forfatter Dr. Jianbo Tang fra UNSW sammenlignede det med en smed, der brugte en varm smedje til at lave udstyr, der holder i årevis.

"Hvis du arbejder med jern og stål, skal du varme det op for at lave et værktøj, men du har værktøjet, og du behøver aldrig at varme det op igen," sagde han.

"Andre mennesker har prøvet denne tilgang, men de er nødt til at køre deres katalysesystemer ved meget høje temperaturer hele tiden."

For at skabe en effektiv katalysator var forskerne nødt til at bruge et forhold på mindre end 0,0001 platin til gallium. Og det mest bemærkelsesværdige af alt viste sig, at det resulterende system viste sig at være over 1.000 gange mere effektivt end sin solid-state rival (den, der skulle være omkring 10 % dyr platin for at fungere)

Fordelene stopper ikke der – fordi det er et væskebaseret system, er det også mere pålideligt. Solid-state katalytiske systemer tilstoppes til sidst og holder op med at virke. Det er ikke et problem her. Som et vandelement med et indbygget springvand opfrisker væskemekanismen sig selv konstant, selvregulerer dens effektivitet over en lang periode og undgår den katalytiske ækvivalent af damskum, der opbygges på overfladen.

Dr. Md. Arifur Rahim, hovedforfatteren fra UNSW Sydney, sagde:"Fra 2011 var videnskabsmænd i stand til at miniaturisere katalysatorsystemer ned til atomniveauet af de aktive metaller. For at holde de enkelte atomer adskilt fra hinanden, de konventionelle systemer kræver faste matricer (såsom grafen eller metaloxid) for at stabilisere dem. Jeg tænkte, hvorfor ikke bruge en flydende matrix i stedet for og se, hvad der sker.

"De katalytiske atomer forankret på en fast matrix er immobile. Vi har tilføjet mobilitet til de katalytiske atomer ved lav temperatur ved at bruge en flydende galliummatrix."

Mekanismen er også alsidig nok til at udføre både oxidations- og reduktionsreaktioner, hvor ilt henholdsvis tilføres til eller tages væk fra et stof.

UNSW-eksperimentalisterne måtte løse nogle mysterier for at forstå disse imponerende resultater. Ved at bruge avanceret beregningskemi og modellering var deres kolleger ved RMIT, ledet af professor Salvy Russo, i stand til at identificere, at platinet aldrig bliver solidt, helt ned til niveauet for individuelle atomer.

Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi afslørede betydningen af ​​hendes RMIT-teams modelleringsarbejde.

"Det, vi fandt, er, at de to platinatomer aldrig kom i kontakt med hinanden," sagde hun.

"De var altid adskilt af galliumatomer. Der dannes ikke noget fast platin i dette system. Det er altid atomisk spredt i galliumet. Det er virkelig fedt, og det er det, vi fandt med modelleringen, som er meget vanskeligt at observere direkte gennem eksperimenter."

Overraskende nok er det faktisk galliumet, der udfører den ønskede kemiske reaktion, idet det virker under påvirkning af platinatomer i umiddelbar nærhed.

Exciton Science Associate Investigator Dr. Andrew Christofferson fra RMIT forklarede, hvor nye disse resultater er:"Platinet er faktisk en lille smule under overfladen, og det aktiverer galliumatomerne omkring det. Så magien sker på galliumet under indflydelse af platin .

"Men uden platin der, sker det ikke. Dette er helt anderledes end enhver anden katalyse, nogen har vist, som jeg er klar over. Og det er noget, der kun kan være blevet vist gennem modelleringen." + Udforsk yderligere

'Dobbelt dekoration' forbedrer industriel katalysator