Så nemt som at tælle til ti:En ny regel for katalysatordesign

"Ti elektron-reglen" giver vejledning til design af enkeltatom-legeringskatalysatorer til målrettede kemiske reaktioner.

Et samarbejdende team på tværs af fire universiteter har opdaget en meget simpel regel til at designe enkeltatom-legeringskatalysatorer til kemiske reaktioner. "Ti elektron-reglen" hjælper videnskabsmænd med at identificere lovende katalysatorer til deres eksperimenter meget hurtigt. I stedet for omfattende trial and error eksperimenter med beregningskrævende computersimuleringer, kan katalysatorernes sammensætning foreslås blot ved at se på det periodiske system.

Enkeltatomlegeringer er en klasse af katalysatorer lavet af to metaller:nogle få atomer af reaktivt metal, kaldet doteringsmidlet, fortyndes i et inert metal (kobber, sølv eller guld). Denne nyere teknologi er ekstremt effektiv til at fremskynde kemiske reaktioner, men traditionelle modeller forklarer ikke, hvordan de virker.

Holdet, som arbejdede på tværs af University of Cambridge, University College London, University of Oxford og Humboldt-University of Berlin, har offentliggjort deres forskning i Nature Chemistry . Forskerne lavede computersimuleringer for at opklare de underliggende love, der styrer, hvordan enkeltatom-legeringskatalysatorer fungerer.

Reglen viste en simpel sammenhæng:kemikalier binder sig stærkest til enkeltatom-legeringskatalysatorer, når doteringsmidlet er omgivet af ti elektroner. Det betyder, at forskere, der designer eksperimenter, nu blot kan bruge kolonnerne i det periodiske system til at finde ud af, hvilke katalysatorer der vil have de ønskede egenskaber for deres reaktioner.

Dr. Romain Réocreux, en postdoc-forsker i gruppen af ​​prof. Angelos Michaelides, der ledede denne forskning, siger:"Når du har en vanskelig kemisk reaktion, har du brug for en katalysator med optimale egenskaber. På den ene side en stærk binding Katalysator kan forgifte og stoppe med at accelerere din reaktion; på den anden side kan en svagt-bindende katalysator bare ikke gøre noget."

"Nu kan vi identificere den optimale katalysator blot ved at se på en kolonne i det periodiske system. Dette er meget kraftfuldt, da reglen er enkel og kan fremskynde opdagelsen af ​​nye katalysatorer til særligt vanskelige kemiske reaktioner."

Prof. Stamatakis, professor i beregningsmæssig uorganisk kemi ved University of Oxford, som bidrog til forskningen, siger:"Efter et årti med intens forskning i enkeltatomlegeringer har vi nu en elegant, enkel, men kraftfuld teoretisk ramme, der forklarer binding. energitendenser og sætter os i stand til at lave forudsigelser om katalytisk aktivitet."

Ved at bruge denne regel foreslog holdet en lovende katalysator til en elektrokemisk version af Haber-Bosch-processen, en nøglereaktion for syntese af gødning, der har brugt den samme katalysator, siden den først blev opdaget i 1909.

Dr. Julia Schumann, som startede projektet på University of Cambridge og nu er på Humboldt-Universität i Berlin, forklarer, "Mange katalysatorer, der bruges i den kemiske industri i dag, blev opdaget i laboratoriet ved hjælp af trial and error-metoder. Med en bedre forståelse af materialernes egenskaber kan vi foreslå nye katalysatorer med forbedret energieffektivitet og reduceret CO₂ emissioner til industrielle processer."

Flere oplysninger: Ti-elektrontællingsregel for binding af adsorbater på enkeltatom-legeringskatalysatorer, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6

Leveret af University of Cambridge