Opdagelse af nanocluster vil beskytte ædle metaller

Forskere har skabt en ny type katalysator, der vil føre til nye, bæredygtige måder at fremstille og bruge molekyler på og beskytte forsyningen af ​​ædle metaller.

Et forskerhold fra University of Nottingham har designet en ny type katalysator, der kombinerer funktioner, som tidligere menes at være gensidigt udelukkende, og udviklet en proces til at fremstille nanoklynger af metaller i masseskala.

I deres nye forskning, offentliggjort i dag i Naturkommunikation , de demonstrerer, at opførselen af ​​nanoclusters af palladium ikke stemmer overens med de ortodokse karakteristika, der definerer katalysatorer som enten homogene eller heterogene.

Traditionelt, katalysatorer er opdelt i homogene, når katalytiske centre er intimt blandet med reaktantmolekyler, og heterogen, hvor reaktioner finder sted på overfladen af ​​en katalysator. Som regel, kemikere må gå på kompromis, når de vælger den ene eller anden type, da homogene katalysatorer er mere selektive og aktive, og heterogene katalysatorer er mere holdbare og genanvendelige. Imidlertid, nanoclusterne af palladiumatomer ser ud til at trodse de traditionelle kategorier, som vist ved at studere deres katalytiske adfærd i reaktionen af ​​cyclopropanering af styren.

Katalysatorer muliggør næsten 80 procent af industrielle kemiske processer, der leverer de mest vitale ingredienser i vores økonomi, fra materialer (såsom polymerer) og lægemidler lige igennem til agrokemikalier, herunder gødning og plantebeskyttelse. Den store efterspørgsel efter katalysatorer betyder, at globale forsyninger af mange nyttige metaller, inklusive guld, platin og palladium, bliver hurtigt udtømt. Udfordringen er at udnytte hvert enkelt atom til dets maksimale potentiale. Udnyttelse af metaller i form af nanoclusters er en af ​​de mest kraftfulde strategier til at øge det aktive overfladeareal til rådighed for katalyse. I øvrigt, når dimensionerne af nanoklynger bryder igennem nanometerskalaen, metallets egenskaber kan ændre sig drastisk, fører til nye fænomener, der ellers er utilgængelige på makroskalaen.

Forskerholdet brugte analytiske og billeddannende teknikker til at undersøge strukturen, dynamik, og kemiske egenskaber af nanoclusterne, at afsløre den indre funktion af denne usædvanlige katalysator på atomniveau.

Holdets opdagelse rummer nøglen til at frigøre det fulde potentiale af katalyse i kemi, fører til nye måder at fremstille og bruge molekyler på på de mest atomeffektive og energiresistente måder.

Forskningen blev ledet af Dr. Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow fra School of Chemistry, han sagde:"Vi bruger den mest direkte måde at lave nanoklynger på, ved blot at sparke atomerne ud af bulkmetal med en stråle af hurtige ioner af argon - en metode kaldet magnetronforstøvning. Som regel, denne metode bruges til fremstilling af belægninger eller film, men vi tunede den til at producere metal nanoclusters, der kan aflejres på næsten enhver overflade. Vigtigt, nanocluster-størrelsen kan kontrolleres præcist af eksperimentelle parametre, fra enkelt atom til få nanometer, så en række ensartede nanoclusters kan genereres efter behov inden for få sekunder."

Dr. Andreas Weilhard, en Green Chemicals Beacon postdoc-forsker i teamet tilføjede:"Metalklyngers overflader produceret ved denne metode er fuldstændig 'nøgne', og dermed meget aktiv og tilgængelig for kemiske reaktioner, der fører til høj katalytisk aktivitet."

Professor Peter Licens, direktør for GSK Carbon Neutral Laboratory ved University of Nottingham tilføjede:"Denne metode til katalysatorfremstilling er vigtig, ikke kun fordi den tillader den mest økonomiske brug af sjældne metaller, men det gør det på den reneste måde, uden behov for opløsningsmidler eller kemiske reagenser, genererer således meget lave mængder affald, som er en stadig vigtigere faktor for grønne kemiske teknologier."

Universitetet skal i gang med et storstilet projekt for at udvide dette arbejde med forskning, der skal føre til beskyttelse af truede elementer.

Professor Andrei Khlobystov, hovedefterforsker af MASI, sagde:"Vores projekt er sat til at revolutionere den måde, metaller bruges på i en bred vifte af teknologier, og at bryde vores afhængighed af kritisk truede elementer. Specifikt, MASI vil gøre fremskridt inden for:reduktion af kuldioxid (CO ₂ ) emissioner og udnyttelse heraf til nyttige kemikalier; produktionen af ​​'grøn' ammoniak (NH ₃ ) som et alternativt nul-emissionsbrændstof og en ny vektor til brintlagring; og levering af mere bæredygtige brændselsceller og elektrolyseteknologier."

Metal nanoclusters aktiveres til reaktioner med molekyler, der kan drives af varme, lys eller elektrisk potentiale, mens justerbare interaktioner med bærematerialer giver holdbarhed og genanvendelighed af katalysatorer. I særdeleshed, MASI-katalysatorer vil blive anvendt til aktivering af svære at knække molekyler (f.eks. N ₂ , H ₂ og CO ₂ ) i reaktioner, der udgør rygraden i den kemiske industri, såsom Haber-Bosch-processen.