Udforskning af potentialet af enkeltatom-katalysatorer
Der er et højt niveau af interesse, endda begejstring, blandt kemikere og materialeforskere om potentialet af enkeltatomkatalysatorer (SAC'er), men deres udvikling er afhængig af meget specialiserede værktøjer, der kun er tilgængelige på synkrotroner som den canadiske lyskilde (CLS) på University of Saskatchewan (USask).
"Dette er et virkelig spændende forskningsområde," sagde Dr. Peng Zhang, professor i kemi og biomedicinsk teknik ved Dalhousie University og en langvarig CLS-bruger.
Katalysatorer er nanopartikler belagt med materialer - ofte dyre metaller som platin, palladium og guld - der fremskynder kemiske reaktioner. En væsentlig ulempe for konventionelle katalysatorer er, at kun en lille procentdel af det katalytiske materiale bruges i den kemiske reaktion, hvilket gør dem ineffektive og spildfulde, forklarede Zhang.
Med den voksende efterspørgsel efter ren og bæredygtig energi kan brug af SAC'er i energisystemer hjælpe miljøet og spare penge. SAC'er har fordele som at gøre reaktioner mere effektive, bruge mindre sjældne metaller og forbedre ydeevnen af enheder som brændselsceller og batterier. De kan også hjælpe med at lagre vedvarende energi fra kilder som sol og vind, hvilket gør den mere pålidelig.
I tilfælde af katalysatorer til biler, som er designet til at omdanne udstødningsemissioner til mindre giftige forurenende stoffer, sagde Zhang, at mindre end halvdelen af platinatomerne i katalysatoren er tilgængelige for den nødvendige kemiske reaktion.
Målet med SAC-forskning er at kontrollere overfladeatomstrukturen af katalysatorer med individuelle atomer af det katalytiske materiale i en matrix af billigere materiale, hvilket sikrer, at alt materialet er tilgængeligt for reaktionen. "Når du designer katalysatoren til at have en enkeltatomstruktur, kan du forbedre deres aktivitet og ydeevne betydeligt i den katalytiske anvendelse," sagde Zhang.
Udfordringerne ved at arbejde på niveau med et enkelt atom er betydelige, indrømmede han, men det er her, CLS kommer ind.
"Hvis du tænker på enkeltatomkatalysatorer, er de så små, at du har brug for et særligt forskningsværktøj til at afdække deres struktur" for at forstå, hvordan atomerne er arrangeret, og hvilke atomer der er til stede. "Selv med det kraftigste elektronmikroskop kan du sikkert se et individuelt atom, men hvis du bruger synkrotronteknologi, kan du få en opløsning 100 gange mindre."
Zhang begyndte at bruge synkrotronfaciliteter og -teknikker for mere end 20 år siden i sin materialeforskning som ph.d. studerende ved University of Western Ontario. Da CLS åbnede i 2004, "var jeg så begejstret over at vide, at vi har vores første canadiske synkrotron," sagde han. Siden da, og ligesom sin egen ph.d. vejleder, har han sendt sine elever til CLS og dets partnersynkrotron – Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, nær Chicago) for at udføre SAC-eksperimenter på stedet.
Fra et grundforskningsperspektiv sagde Zhang, at der stadig er to store forhindringer i udviklingen af enkeltatom-katalysatorer.
"For det første vil vi virkelig gerne forstå bedre, hvorfor nogle enkeltatom-katalysatorer er så gode, så aktive, men nogle gange er de måske ikke stabile efter et par timer, så vi er nødt til at designe enkeltatom-katalysatorer til at være aktive over en lang periode (af tid). Der er meget arbejde at gøre med disse katalysatorer for at gøre dem mere kraftfulde og mere anvendelige."
Den anden udfordring er at øge SAC-brugen til en kommerciel skala.
"Vi ønsker at samarbejde med folk i den kemiske industri for at finde applikationer i den virkelige verden," sagde Zhang. "I laboratoriet har du meget lille katalyse, men i den kemiske industri er den tusind gange større." Evnen til at opskalere en enkeltatoms katalytisk reaktion åbner døren til "alle former for kemisk industriapplikationer."
Selvom det fremtidige potentiale er spændende, sagde Zhang, at grundlæggende SAC-forskning ville være umulig uden "adgang til faciliteter i verdensklasse som CLS og APS."
Forskningen er publiceret i tidsskriftet Accounts of Chemical Research .
Flere oplysninger: Ziyi Chen et al., Strukturel analyse af enkeltatom-katalysatorer ved røntgenabsorptionsspektroskopi, Regnskaber for kemisk forskning (2024). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00693
Journaloplysninger: Regnskaber for kemisk forskning
Leveret af Canadian Light Source
Varme artikler
-
En afhandling bragte nye højpræcisionsmassemålinger for atommasser af isotoper tungere end jernKredit:CC0 Public Domain En stor del af de grundstoffer, der omgiver os, produceres i fusionsreaktioner i stjerner. Imidlertid, grundstoffer tungere end jern kræver mere komplekse processer, der f -
Traditionelle hemmeligheder til at holde sig kølig – undersøgelse af Okinawan-tekstilerForstørrede billeder af vaskulære bundter efter traditionel digumering i Naha-u, den yderste del af bananplantens bladskede, der bruges til at lave Basho-fu. Kredit:Journal of Fiber Science and Techno -
Klæbende, når den er våd:Stærk klæbemiddel til sårhelingEn ny, fleksibelt klæbende materiale inspireret af limen udskilt af snegle klæber til biologiske væv (selv når det er vådt) uden at forårsage toksicitet, og kan formes til enten ark (blågrønt) eller b -
Metabolisk ingeniørmetode lykkes med at producere 1, 2, 4-butantetriol bæredygtigt fra biomasseFigur 1:Diagram over reaktionsprocessen. Kredit:Kobe University En mere miljøvenlig og bæredygtig metode til fremstilling af det nyttige kemikalie 1, 2, 4-butantetriol er blevet opdaget. Kobe -uni
- Oceaner, der vender sig fra ven til fjende, advarer skelsættende FN-klimarapport
- Isudledning i det nordlige Stillehav satte gang i en række klimabegivenheder under sidste istid
- Geologer afslører nye spor om den største masseudryddelse nogensinde
- Hvorfor opfordringerne til at defundere politiet?
- Skader spoilere filmindtægter fra billetsalg?
- Typerne af slanger, der findes i East Tennessee