Udfordringen med at præsentere ny nanostrukturel bimetallisk komposit til katalyse

Fastmatrixkatalysatorer kaldet heterogene katalysatorer er blandt de mest udbredte industrielle anvendelser til at reducere giftige gasser, uforbrændt brændstof, og partikler i udstødningsstrømmen fra forbrændingskammeret. De bruges også i energi, kemisk, og farmaceutiske sektorer, dvs. produktion af biodiesel, polymerer, omdannelse af biomasse/affald til værdifulde produkter, og mange andre processer. Alt sammen takket være deres aktive steder og høje overflade. Alligevel, deres høje effektivitet er begrænset af den astronomiske pris på ædelmetaller, Så, omkostningseffektive erstatninger med sammenlignelig effektivitet synes at være en hellig gral for industrien. En nylig artikel præsenteret af forskere fra Institut for Fysisk Kemi, Det polske videnskabsakademi ledet af dr. eng. Izabela S. Pieta står over for udfordringen med at præsentere nye nanostrukturelle bimetalliske kompositmaterialer til katalyse.

C som katalyse

Katalysatorer er overalt og har en enorm indflydelse på kemiske processer. De omgiver os selv i naturen; for eksempel, celler kræver naturlige katalysatorer som enzymer til flere biokemiske processer. Det samme sker inden for energiomdannelsesområdet, hvor solide katalysatorer forfølger teknologiske processer. Ifølge forbrændingsmotorerne, ædelmetaller som platin er placeret på røggasserne, der strømmer ud af forbrændingskammeret. Når først giftige gasser rører katalysatorens overflade, de nedbrydes, giver de endelige produkter CO ₂ og H ₂ O. Hemmeligheden ligger i de aktive steder på materialet, der påvirker mellemprodukternes adsorptionsenergi for reaktion og aktivering af overgangstilstande. Den endelige mekanisme for bindingsbrydning fører til dannelsen af ​​bestemte molekyler. Det gør ædle metaller til rockstjerner i industrielle applikationer.

I de seneste årtier har katalysatoranvendelsen voksede voldsomt, når et kritisk punkt for høje omkostninger til ædelmetaller, der er nødvendige til brændstof, medicin, og produktion af kemiske forbindelser. Så, økonomisk katalyse med høj effektivitet blev en af ​​de vigtigste udfordringer for fremtidige fremskridt inden for mange industrielle teknologier. Helt sikkert, det er næsten umuligt at levere ét materiale til at opfylde alle industrielle krav. Vi kan helt sikkert forbedre meget katalysatoraktivitet og endda holdbarhed ved kemiske modifikationer af aktive overflader til den givne proces, mens lad os starte fra begyndelsen – katalysatorstørrelse. Nanomaterialer tilbyder et højt overflade-volumenforhold, der øger deres aktivitet. I tilfælde af ædelmetaller, opretholdelse af nanometrisk størrelse gør disse materialer meget aktive, giver stærk reaktantbinding og katalysatorselektivitet.

Nye katalysatorer i horisonten

For nylig, forskere fra Institut for Fysisk Kemi ledet af dr. Izabela S. Pieta beskrev nanostrukturelle bimetalliske katalysatorer immobiliseret på den halvledende overflade til deres potentielle anvendelse i termiske, Foto-, og elektrokatalyse. Disse systemer er allerede blevet rapporteret at give ekstraordinære resultater i processer dedikeret til brændselsceller, dvs. methanol og ethanolelektrooxidation (I.S.Pieta et al. Anvendt katalyse B:Miljømæssig , 2019, 244), bæredygtige grønne kemikalier, og brændstofproduktion (I.S.Pieta et al. Anvendt katalyse B:Miljømæssig , 2019, 244, og ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2020, 8(18), og endda reduktion af kuldioxid mod gasformige og flydende brændstoffer (I.S.Pieta et al. Avancerede materialer Grænseflader, 2021, 2001822). Lad os se nærmere på dem.

I bimetalliske nanostrukturer, to metaller, f.eks., Pt-Au, er tilsluttet, hvor det primære metal fungerer som værtsrolle, og den anden er en gæst. Med andre ord, det er en legering, på en nanometrisk skala, fordelingen af ​​bestemte atomer i partiklerne har en enorm betydning.

Interessant nok, bimetalliske strukturer forekommer højere katalytisk aktivitet i sammenligning med monometalliske modstykker. Deres sammenføjning kan afvige fra en blanding af to forskellige metaller, hvor det andet er fordelt ret regelmæssigt i matrixen af ​​det første eller kerne-skal struktur, hvor det første metal er dækket af det andet. En anden mulighed er nanostrukturer med to kemisk forskellige halvdele (kaldet Janus nanopartikler) eller forbinder to kemisk forskellige nanopartikler. Desværre, disse kombinationer af to forskellige metaller kan undergå konstante ændringer i så lille en skala på grund af den atomare omorganisering.

Sammensætningen og atomarrangementet i bimetalliske strukturer bestemmer deres katalytiske ydeevne. Nanomaterialer kan let agglomerere eller ændre overfladestruktur på grund af deres høje overfladeaktivitet, sænker deres katalyseeffektivitet. I øvrigt, deres overflade kan let blive forgiftet af halvprodukter fra kemiske reaktioner, så det er svært at forudsige de ændringer, der finder sted på bimetalliske overflader, der påvirker materialeaktivitet.

Så hvorfor ikke starte fra begyndelsen og skabe en platform, der ville stabilisere disse nanostrukturer? Når først afgjort, nanopartikler ville være mindre modtagelige for overfladeændringer. Forskere foreslog at stabilisere bimetalliske nanopartikler på det elektrisk ledende materiale som kulstof eller kulnitrid. Derefter, dens overflade blev modificeret med polymert materiale baseret på det grafitiske carbonnitrid (g-C3N4) lavet af underenheder af triazinmolekyler smeltet sammen i flade trekanter, der ligner grafenarket. Overfladen af ​​det bimetalliske system blev undersøgt inden for flere spektroskopiske teknikker.

"Udviklingen og optimeringen af ​​bimetalliske nanokatalysatorer kan give en ny klasse af materialer med overlegen, afstembar ydeevne, termisk stabilitet, og reducerede omkostninger sammenlignet med nuværende tilgængelige kommercielle katalysatorer. Vi forventer, at takket være støttematerialets unikke egenskaber, dvs. grafitisk carbonnitrid, disse katalysatorer kan finde en potentiel anvendelse i -termisk/-elektro/ og -fotokatalyse. Imidlertid, før det sker, man skal forstå, hvordan man designer det effektive bimetalsystem, hvordan dette system fungerer under driftsforhold, og hvorfor forholdet form-struktur-aktivitet betyder noget, " hævder Izabela S.Pieta.

g-C3N4 har en rig heteroatomstruktur, der afslører katalytiske egenskaber. Takket være tilstedeværelsen af ​​flere funktionelle grupper, den kan nemt hoste bimetalliske systemer på overfladen som ædle Pt-Au Pt-Pd, eller overgange metal-baserede Cu-Ni nanopartikler. Det er blevet betragtet som et lovende støttemateriale, der stabiliserer de bimetalliske nanopartikler og hæmmer deres forgiftning med kemikalier. I øvrigt, det giver en enorm mulighed for solenergihøst og konvertering til et værdifuldt produkt eller en anden energiform.

"Inspireret af naturen, menneskeheden har lært, at sollys er en af ​​de mest kraftfulde energikilder på Jorden. Den effektive omdannelse af lys til en brugbar form for energi er hovedsageligt begrænset på grund af ikke-effektiv ladningsadskillelse og dårlig lys-høstende katalysatorarkitektur. Forudsætningerne for bred spektral høst og gunstig energiniveaujustering for den tilsigtede lysudløste proces bør kombineres med hurtig ladningsadskillelse og -opsamling, konkurrerer med succes med fotogenereret ladningsrekombination. Problemet nævnt ovenfor kan løses ved det korrekte valg af fotoaktive komponenter og passende konstruktion af fotoreaktorer. Kombinationen af ​​materialeegenskaber og mikrofluidikteknologi er en perfekt løsning, der integrerer flere komponenter og giver en enkel løsning til den kontinuerlige katalytiske proces ved dynamisk væske-væske, fast-væske, eller gas-faststof-væske grænseflader, ", hævder førsteforfatter dr. Ewelina Kuna.

Immobilisering beskytter mod overfladeændringer og agglomerering af nanopartikler og muliggør skalerbar påføring på en stor overflade.

Bemærkninger dr. Izabela Pieta, "De bimetalliske katalytiske systemer er kendt for at give højere katalytiske aktiviteter, og de tillod at nå meget høj effektivitet i mange processer. Vi er stadig fokuseret på mere komplekse systemer, hvor katalysatorsammensætningen og strukturarrangementet kan resultere i højere aktivitet, men højere selektivitet over for målrettede produkter og forbedret katalysatorstabilitet over for forgiftning, holdbarhed, og levetid. Vores forskning dækker en grundlæggende forståelse af katalytiske overflader og udvikling af reaktionsmekanismer under ikke-isolerede forhold. Denne viden vil helt sikkert resultere i innovativt katalysatordesign, både i molekylær skala (aktivt stedsarkitekturdesign) og applikativ skala (industriel reaktorskala) via skræddersyning af flere katalytiske aktive steder og deres fordeling over arbejdsfladerne."

Bimetalliske nanopartikler indlejret i den g-C3N4 modificerede kulstofoverflade ser ud til at være en universel platform i katalyse, at bringe skarpt lys ind i de processer, der kræver nye nanostrukturelle løsninger. Takket være sådanne undersøgelser fokuseret på formen og struktur-aktivitetsforholdet i bimetalliske systemer og dets immobilisering på den skalerbare og økonomiske matrix, vi er et skridt tættere på design af de nye og bæredygtige katalysatorer til industrien.