18 августа 2021 года Обзор Алекса Смита

Новый тип катализатора, разработанный исследователями, проложит путь для передовых и устойчивых подходов к созданию и использованию молекул и защите поставок ценных металлов.

Исследователи из Ноттингемского университета разработали новый катализатор, который объединяет функции, которые ранее считались взаимоисключающими. Они также создали процесс изготовления нанокластеров металлов в массовом масштабе.

Новое исследование показывает, что поведение нанокластеров палладия не соответствует традиционным характеристикам, которые определяют катализаторы как гомогенные или гетерогенные. Об исследовании недавно было опубликовано в журнале Nature Communications .

Обычно катализаторы делятся на гомогенные, где каталитические центры тесно перемешаны с молекулами реагентов, или гетерогенные, когда реакции происходят на поверхности катализатора.

Химики, как правило, должны быть готовы идти на компромиссы при выборе того или иного типа, поскольку гомогенные катализаторы более активны и селективны, а гетерогенные катализаторы более долговечны и пригодны для повторного использования.

Тем не менее, нанокластеры атомов палладия, похоже, не подчиняются общепринятым категориям, как показало исследование их каталитического поведения в реакции циклопропанирования стирола.

Почти 80% промышленных химических процессов, которые обеспечивают наиболее важные компоненты экономики, от материалов (например, полимеров) и фармацевтических препаратов до агрохимикатов, таких как удобрения и средства защиты растений, запускаются с помощью катализаторов. Высокий спрос на катализаторы означает, что мировые запасы некоторых полезных металлов, таких как палладий, золото и платина, быстро истощаются.

Трудность состоит в том, чтобы использовать каждый атом в максимальной степени. Использование металлов в форме нанокластеров считается одним из надежных подходов к увеличению активной площади поверхности, доступной для катализа.

Кроме того, когда размеры нанокластеров имеют тенденцию выходить за пределы наномасштаба, происходит значительное изменение свойств металла, что приводит к новому явлению, недостижимому на макроуровне.

Исследователи использовали аналитические методы и методы визуализации, чтобы исследовать динамику, структуру и химические свойства нанокластеров, чтобы раскрыть внутреннее устройство этого странного катализатора на атомном уровне.

Прорыв, достигнутый исследователями, является ключом к раскрытию всего потенциала катализа в химии. Это открывает путь для новых подходов к созданию и использованию молекул наиболее энергоустойчивыми и атомно-эффективными способами.

Мы используем самый прямой способ создания нанокластеров просто выбивая атомы из массивного металла пучком быстрых ионов аргона – метод, называемый магнетронным распылением. Обычно этот метод используется для изготовления покрытий или пленок но мы настроили его для производства металлических нанокластеров, которые можно нанести практически на любую поверхность .

Д-р. Джесум Алвес Фернандес, ведущий исследователь и научный сотрудник Propulsion Futures Beacon, химический факультет Ноттингемского университета

« Важно то, что размер нанокластера можно точно контролировать с помощью экспериментальных параметров, от одного атома до нескольких нанометров, так что массив однородных нанокластеров может быть сгенерирован по запросу в течение нескольких секунд », – добавил Фернандес.

Д-р. Андреас Вайльхард, постдок группы Green Chemicals Beacon, добавил: « Поверхности металлических кластеров, полученные этим методом, полностью ' обнажены ', и поэтому очень активны и доступны для химические реакции, ведущие к высокой каталитической активности »

Этот метод изготовления катализатора важен не только потому, что он позволяет наиболее экономично использовать редкие металлы, но и делает это наиболее чистым способом, без каких-либо растворителей или химических реагентов, что приводит к очень низкому уровню отходов. , который становится все более важным фактором для экологически чистых химических технологий .

Питер Лайсис, профессор и директор лаборатории нейтрализации углерода GSK, Ноттингемский университет

Университет готов начать крупномасштабный проект по расширению этой работы, который приведет к обеспечению безопасности находящихся под угрозой элементов. «Металлические атомы на поверхностях и интерфейсах (MASI) для устойчивого будущего» при финансовой поддержке Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам (EPSRC) будут запущены в четырех университетах Великобритании (Ноттингем, Кембридж, Бирмингем и Кардифф).

Наш проект призван произвести революцию в способах использования металлов в широком спектре технологий и разрушить нашу зависимость от элементов, находящихся в критическом состоянии. В частности, MASI добьется успехов в: сокращении выбросов углекислого газа ( CO ₂ ) выбросов и превращении его в полезные химические вещества ; производство « зеленого » аммиака ( NH ₃ ) в качестве альтернативного нуля -выброс топлива и новый вектор для хранения водорода ; и обеспечение более устойчивых топливных элементов и технологий электролизера .

Андрей Хлобыстов, старший научный сотрудник, профессор, атомы металлов на поверхностях и границах раздела

Металлические нанокластеры запускаются для реакций с молекулами, которые могут стимулироваться теплом, электрическим потенциалом или светом, в то время как настраиваемые взаимодействия с материалами носителя обеспечивают возможность повторного использования и долговечность катализаторов.

В частности, катализаторы MASI будут использоваться для активации молекул, трудно поддающихся взлому (например, H ₂ N ₂ и CO ₂ ) в реакции, составляющие основу химической промышленности, такие как процесс Габера-Боша.

Ссылка на журнал:

Кано И., и др. . (2021) Размытие границы между гомогенным и гетерогенным катализом с использованием нанокластеров палладия с динамическими поверхностями. Nature Communications . doi.org/10.1038/s41467-021-25263-6.

Источник: https://www.nottingham.ac.uk/[19459007visible