Energiforskere opfinder kamæleonmetal, der fungerer som mange andre

Et hold af energiforskere ledet af University of Minnesota Twin Cities har opfundet en enhed, der elektronisk omdanner et metal, så det opfører sig som et andet til brug som katalysator i kemiske reaktioner. Enheden, kaldet en "katalytisk kondensator", er den første til at demonstrere, at alternative materialer, der er elektronisk modificerede for at give nye egenskaber, kan give hurtigere og mere effektiv kemisk behandling.

Opfindelsen åbner døren for nye katalytiske teknologier, der anvender ikke-ædelmetalkatalysatorer til vigtige applikationer såsom lagring af vedvarende energi, fremstilling af vedvarende brændstoffer og fremstilling af bæredygtige materialer.

Undersøgelsen er offentliggjort online i JACS Au , hvor den blev valgt som en Editor's Choice-publikation. Holdet arbejder også med University of Minnesota Office of Technology Commercialization og har et foreløbigt patent på enheden.

Kemisk behandling i det sidste århundrede har været afhængig af brugen af ​​specifikke materialer for at fremme fremstillingen af ​​kemikalier og materialer, vi bruger i vores hverdag. Mange af disse materialer, såsom ædelmetaller ruthenium, platin, rhodium og palladium, har unikke elektroniske overfladeegenskaber. De kan fungere som både metaller og metaloxider, hvilket gør dem kritiske til at kontrollere kemiske reaktioner.

Den brede offentlighed er nok mest bekendt med dette koncept i forhold til stigningen i tyverier af katalysatorer på biler. Katalysatorer er værdifulde på grund af rhodium og palladium inde i dem. Faktisk kan palladium være dyrere end guld.

Disse dyre materialer er ofte en mangelvare rundt om i verden og er blevet en stor barriere for at fremme teknologi.

For at udvikle denne metode til at justere de katalytiske egenskaber af alternative materialer, stolede forskerne på deres viden om, hvordan elektroner opfører sig ved overflader. Holdet testede med succes en teori om, at tilføjelse og fjernelse af elektroner til et materiale kunne forvandle metaloxidet til noget, der efterlignede egenskaberne af et andet.

"Atomer ønsker virkelig ikke at ændre deres antal elektroner, men vi opfandt den katalytiske kondensatoranordning, der giver os mulighed for at justere antallet af elektroner på overfladen af ​​katalysatoren," sagde Paul Dauenhauer, en MacArthur Fellow og professor i kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota, der ledede forskerholdet. "Dette åbner op for en helt ny mulighed for at kontrollere kemi og få rigelige materialer til at fungere som dyrebare materialer."

Den katalytiske kondensatorenhed bruger en kombination af nanometerfilm til at flytte og stabilisere elektroner på overfladen af ​​katalysatoren. Dette design har den unikke mekanisme til at kombinere metaller og metaloxider med grafen for at muliggøre hurtig elektronstrøm med overflader, der kan indstilles til kemi.

"Ved at bruge forskellige tyndfilmsteknologier kombinerede vi en film af aluminiumoxid i nanoskala fremstillet af billigt, rigeligt aluminiummetal med grafen, som vi derefter var i stand til at tune til at overtage egenskaberne fra andre materialer," sagde Tzia Ming Onn, en post-doc forsker ved University of Minnesota, der fremstillede og testede de katalytiske kondensatorer. "Den betydelige evne til at justere katalysatorens katalytiske og elektroniske egenskaber oversteg vores forventninger."

Det katalytiske kondensatordesign har bred anvendelighed som en platformsenhed til en række fremstillingsapplikationer. Denne alsidighed kommer fra dens nanometerfremstilling, der inkorporerer grafen som en muliggørende komponent i det aktive overfladelag. Enhedens kraft til at stabilisere elektroner (eller fraværet af elektroner kaldet "huller") kan indstilles med varierende sammensætning af et stærkt isolerende indre lag. Enhedens aktive lag kan også inkorporere et hvilket som helst basiskatalysatormateriale med yderligere additiver, som derefter kan indstilles til at opnå egenskaberne af dyre katalytiske materialer.

"Vi ser den katalytiske kondensator som en platformsteknologi, der kan implementeres på tværs af et væld af fremstillingsapplikationer," sagde Dan Frisbie, professor og leder af University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science og medlem af forskningsteamet. "Kernedesignindsigten og de nye komponenter kan modificeres til næsten enhver kemi, vi kan forestille os."

Holdet planlægger at fortsætte deres forskning i katalytiske kondensatorer ved at anvende det på ædelmetaller til nogle af de vigtigste bæredygtigheds- og miljøproblemer. Adskillige parallelle projekter er allerede i gang med at lagre vedvarende elektricitet som ammoniak, fremstilling af nøglemolekylerne i vedvarende plast og rene gasformige affaldsstrømme. + Udforsk yderligere

Fremtidige katalysatorer kan give mere valuta for pengene