Forankring af enkelte atomer til katalyse

Der er et diktum om "aldrig at ændre et kørende system." Nye metoder kan dog være langt bedre end ældre. Mens kemiske reaktioner til dato hovedsageligt accelereres af katalytiske materialer, der omfatter flere hundrede atomer, brugen af ​​enkelte atomer kunne give en ny tilgang til katalyse.

Et internationalt forskerhold, ledet af TU Wien, Østrig, har nu udviklet en ny metode til at forankre individuelle atomer på en kontrolleret og stabil måde på overflader. Dette er et vigtigt skridt hen imod enkelt atom katalyse. Forskerne, der arbejder med Bernhard C. Bayer, præsenterede den nye metode i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano .

Enkelte atomer til at erstatte nanopartikler

Moderne katalysatorer består af nanopartikler og er derfor meget små. Imidlertid, i betragtning af deres størrelse på atomskalaen, de består stadig af hundredvis af atomer, langt større end enkeltatomkatalysatorer. Hvis det ville blive muligt at fremskynde kemiske reaktioner med enkelte atomer, dette kan åbne op for nye muligheder for katalyse. Enkeltatom-katalyse kan være mere bæredygtig og energieffektiv, og den kan også være mere selektiv og opnå en højere omsætning end traditionelle processer.

I den nyudviklede metode, siliciumatomer tjener som "ankre" for enkelte metalatomer. Siliciumatomer i sig selv forekommer ofte som en urenhed i kulstofbærematerialerne. Til disse siliciumatomer er nu indiumatomer bundet, som kan fungere som enkeltatom-katalysatorer. "Indium-atomerne binder sig selektivt til siliciumankrene i kulstofkrystalgitteret, " siger Bernhard C. Bayer fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "Derved forbliver de individuelle indiumatomer stabile og forankrede i deres positioner og klumper sig ikke sammen, " fortsætter Bayer, der ledede forskningen. "Det, der gør den nye teknologi særligt spændende, er, at indium-atomerne er forankret på en selvsamlet måde, hvis reaktionsbetingelserne er rigtige. Dette gør processen potentielt skalerbar, " tilføjer Kenan Elibol fra University of Vienna og Trinity College Dublin og førsteforfatter af undersøgelsen.

Processen kom dog også med sine udfordringer, som forskerholdet med succes mødte. Især aflejringen af ​​individuelle atomer på faste bæreflader er vanskelig. Dette skyldes, at enkelte atomer normalt bevæger sig hurtigt væk fra deres placeringer og klumper sig sammen for at danne større partikler. Dannelsen af ​​sådanne større partikler ophæver fordelene ved enkeltatomkatalyse.

Yderligere test følger

Ved hjælp af et højopløseligt elektronmikroskop ved universitetet i Wien, forskerholdet kunne observere mekanismerne bag siliciumforankringen af ​​de enkelte indium-atomer. "Vi var i stand til at demonstrere, at forankringen af ​​indiumatomerne afhænger af, hvordan siliciumankrene er bundet ind i kulstofkrystalgitteret, siger Toma Susi fra universitetet i Wien, som yderligere belyste ankerstrukturerne ved moderne beregningsmetoder. "En sådan kontrolleret og stuetemperatur-stabil forankring af individuelle atomer på faste overflader er endnu ikke blevet rapporteret og åbner op for spændende perspektiver for katalytiske anvendelser inden for energi og miljø, " tilføjer Dominik Eder fra TU Wien og ekspert i katalyse.

Yderligere eksperimenter følger, så metoden udviklet af wienerforskerne også kan bruges industrielt:"De enkelte atomer, der er placeret med den nye metode, skal nu testes i detaljer som katalysatorer for forskellige kemiske reaktioner, " siger Bernhard C. Bayer.