1 сентября 2021 года Обзор Алекса Смита

Старая поговорка гласит: «Никогда не меняйте работающую систему». Однако новые методы могут быть намного лучше прежних. До сегодняшнего дня химические реакции в основном ускоряются каталитическими материалами, состоящими из нескольких сотен атомов; однако использование отдельных атомов может предложить новую стратегию катализа.

Группа международных исследователей под руководством Венского технологического университета (TU Wien), Австрия, создала новый процесс стабильного и контролируемого закрепления отдельных атомов на поверхностях. Это жизненно важный шаг для одноатомного катализа. Ученые, связанные с Бернхардом К. Байером, опубликовали новый процесс в научном журнале ACS Nano .

Одиночные атомы для замены наночастиц

Современные катализаторы содержат наночастицы и поэтому очень малы. Тем не менее, если принять во внимание их размер в атомном масштабе, они все еще содержат сотни атомов, что намного больше, чем одноатомные катализаторы.

Возможность ускорения химических реакций с отдельными атомами откроет новые возможности для катализа. Одноатомный катализ может быть более энергоэффективным и устойчивым, а также может быть более избирательным и обеспечивать больший оборот, чем обычные процессы.

В новом процессе атомы кремния действуют как «якоря» для отдельных атомов металла. Атомы кремния часто присутствуют в качестве примесей в углеродных материалах-носителях. Атомы кремния теперь связаны с атомами индия, которые служат одноатомными катализаторами.

Атомы индия селективно связываются с кремниевыми якорями в кристаллической решетке углерода. Таким образом, отдельные атомы индия остаются стабильными и закрепленными на своих позициях и не слипаются .

Бернхард К. Байер, руководитель исследований, Институт химии материалов, Венский технологический университет

« Что делает новую технологию особенно интересной, так это то, что атомы индия заякорены самоорганизующимся способом, если условия реакции подходящие. Это делает процесс потенциально масштабируемым », – говорит Кенан Элибол, первый автор исследования из Венского университета и Тринити-колледжа в Дублине

.

Этот метод столкнулся с проблемами, с которыми успешно справились ученые. В частности, осаждение отдельных атомов на твердые поверхности носителя является трудным. Это связано с тем, что отдельные атомы обычно быстро удаляются от своего местоположения и группируются вместе, образуя более крупные частицы. Образование таких более крупных частиц сводит на нет преимущества одноатомного катализа.

Дальнейшие испытания

Ученые использовали электронный микроскоп высокого разрешения в Венском университете для наблюдения за процессами закрепления в кремнии отдельных атомов индия.

Мы смогли продемонстрировать, что закрепление атомов индия зависит от того, как кремниевые якоря связаны в кристаллической решетке углерода .

Тома Суси, Венский университет

Susi дополнительно расшифровал анкерные конструкции с помощью современных вычислительных методов. « О таком контролируемом и стабильном при комнатной температуре закреплении отдельных атомов на твердых поверхностях еще не сообщалось, и это открывает захватывающие перспективы для каталитических применений в области энергетики и окружающей среды », – отмечает Доминик Эдер из Технического университета. Вин и специалист по катализу.

Исследователи намерены продолжить эксперименты над этим, чтобы новый процесс можно было также использовать в промышленных масштабах.

Отдельные атомы, помещенные с помощью нового метода, теперь должны быть детально испытаны в качестве катализаторов различных химических реакций .

Бернхард К. Байер, Институт химии материалов, Венский технологический университет

Исследование было поддержано Австрийским агентством содействия исследованиям (FFG) в рамках проекта 860382-VISION и Европейским исследовательским советом (ERC) в рамках исследовательской и инновационной программы Европейского Союза Horizon 2020 (756277-ATMEN).

Ссылка на журнал:

Элибол, К., и др. . (2021) Одиночные атомы индия и малоатомные кластеры индия, закрепленные на графене через гетероатомы кремния. САУ Нано . doi.org/10.1021/acsnano.1c03535.

Источник: https://www.tuwien.at/en[19459007visible