Skalerbar to-trins udglødningsmetode til fremstilling af ultra-højdensitet enkeltatoms katalysatorbiblioteker

Forskere fra National University of Singapore har udviklet en generel vådkemi-tilgang til den skalerbare og automatiserede syntese af et bibliotek af ultra-high-density single-atom katalysatorer (UHD-SAC'er) for 15 almindelige overgangsmetaller på kemisk adskilte bærere via en kontrolleret to -trins termisk udglødningsstrategi.

Katalysatorer spiller en vigtig rolle i en række industrielle kemiske processer, og der er et stigende behov for mere avancerede versioner for at forbedre deres effektivitet. Heterogene enkeltatomkatalysatorer (SAC'er) er en ny klasse af katalysatorer, der består af isolerede metalatomer enkeltvis spredt på overfladen af ​​bærere. Deres unikke geometriske og elektroniske egenskaber har potentialet til betydeligt at forbedre selektiviteten af ​​de målrettede katalytiske reaktioner og sænke driftsomkostningerne. Siden konceptet med SAC'er blev opfundet i 2011, er interessen for denne klasse af SAC'er-materialer steget globalt med fokus på deres anvendelse til at forbedre effektiviteten af ​​kemiske omdannelser til bæredygtige industrielle processer. En grundlæggende udfordring for at implementere denne banebrydende klasse af katalysatorer i mange tekniske applikationer er manglen på syntetiske veje til at producere dem med høje overfladedensiteter. At opnå sidstnævnte er særligt vigtigt for at maksimere produktiviteten af ​​katalysatorerne i store industrielle processer.

Et NUS-forskerhold ledet af Prof Jiong Lu fra Institut for Kemi og Institute for Functional Intelligent Materials, National University of Singapore har adresseret dette udfordrende problem ved at udvikle en skalerbar og alsidig to-trins udglødningsmetode til at forberede biblioteker med ultrahøj- densitet SAC'er. Dette arbejde er et samarbejde mellem Prof Javier Pérez-Ramírez fra ETH Zürich, Prof Jun Li fra Tsinghua University og Dr. Xiaoxu Zhao fra Nanyang Technological University (NTU). Metoden udnytter kontrollen af ​​ligandfjernelse fra metalprækursorer og deres associerede interaktioner med bæreren for at mætte materialets overflade med metalatomer.

En selektiv forankringsmekanisme, der maksimerer sandsynligheden for at binde metalatomet til alle tilgængelige koordinationssteder på materialets overflade, hjælper med at bevare et højt niveau af metaldækning. Metalatomer, som ikke er fastgjort, fjernes derefter ved vask. Dette forhindrer potentiel metalsintring i det efterfølgende højtemperatur-annealingstrin, der anvendes til at fjerne de resterende ligander. Udglødningstrinnet muliggør også stabilisering af det meget højere metalindhold sammenlignet med konventionelle imprægneringsveje (se figur (a)). Denne skalerbare syntetiske rute til udvikling af UHD-SAC'er er blevet demonstreret for 15 almindelige overgangsmetaller ved brug af kemisk adskilte bærere af forskellig natur (herunder nitrogen-doteret carbon, polymert carbonnitrid, ceriumoxid, aluminiumoxid og titanoxid) med en belastning på over 20 vægt-% (se figur (b)). Derudover er den foreslåede tilgang let tilgængelig for en standardiseret, automatiseret protokol (se figur (c) og figur (d)), der demonstrerer dens robusthed og giver en levedygtig vej til at udforske et stort antal biblioteker af mono- eller multimetalliske katalysatorer .

Holdet viste de potentielle fordele ved høj belastning af SAC'er i forskellige katalytiske systemer, som spænder fra elektrokemisk, termisk og organisk katalyse, hvilket eksemplificerer behovet for at optimere overflademetaltætheden til en specifik katalytisk anvendelse. Desuden afspejler belastningsafhængig stedspecifik aktivitet observeret i forskellige katalytiske systemer den velkendte kompleksitet i heterogent katalysatordesign. Dette kan nu tackles med et bibliotek af SAC'er med meget tunerbare metalbelastninger.

Prof Lu sagde:"Vores arbejde har løst mangeårige problemer inden for enkeltatoms katalyse, herunder belastningstæthed og skalerbar fremstilling af denne banebrydende klasse af UHD-SAC'er. Dette er afgørende for deres industrielle implementering i bæredygtige kemiske og energitransformationer." + Udforsk yderligere

Mesoporøs struktur forbedrer katalytisk ydeevne af enkeltatom-katalysatorer