_ Explorarea potențialului catalizatorilor cu un singur atom

Există un nivel ridicat de interes, chiar entuziasm, în rândul chimiștilor și al cercetătorilor de materiale cu privire la potențialul catalizatorilor cu un singur atom (SAC), dar dezvoltarea lor se bazează pe instrumente foarte specializate disponibile numai la sincrotroni precum cel canadian. Sursă de lumină (CLS) de la Universitatea din Saskatchewan (USask).

„Acesta este un domeniu de cercetare cu adevărat interesant”, a spus dr. Peng Zhang, profesor de chimie și inginerie biomedicală la Universitatea Dalhousie și un utilizator de timp CLS.

Catalizatorii sunt nanoparticule acoperite cu materiale – adesea metale scumpe precum platina, paladiul și aurul – care accelerează reacțiile chimice. Un dezavantaj semnificativ pentru catalizatorii convenționali este că doar un mic procent din materialul catalitic este utilizat în reacția chimică, ceea ce îi face ineficienti și risipitori, a explicat Zhang.

Odată cu cererea tot mai mare de energie curată și durabilă, folosind SAC-urile din sistemele energetice pot ajuta mediul și pot economisi bani. SAC-urile au beneficii precum eficientizarea reacțiilor, utilizarea metalelor mai puțin rare și îmbunătățirea performanței dispozitivelor precum pilele de combustie și bateriile. De asemenea, pot ajuta la stocarea energiei regenerabile din surse precum soarele și vântul, făcându-l mai fiabil.

În cazul convertoarelor catalitice pentru automobile, care sunt concepute pentru a transforma emisiile de eșapament în poluanți mai puțin toxici, Zhang a spus mai puțin. mai mult de jumătate dintre atomii de platină din catalizator sunt disponibili pentru reacția chimică necesară.

Scopul cercetării SAC este de a controla structura atomică de suprafață a catalizatorilor cu atomi individuali ai materialului catalitic într-o matrice mai mică. material scump, asigurându-se că tot materialul este disponibil pentru reacție. „Când proiectați catalizatorul pentru a avea o structură cu un singur atom, le puteți îmbunătăți semnificativ activitatea și performanța în aplicația catalitică”, a spus Zhang.

Provocările lucrului la nivelul unui singur atom sunt semnificativ, a recunoscut el, dar aici intervine CLS.

„Dacă te gândești la catalizatorii cu un singur atom, ei sunt atât de mici încât ai nevoie de un instrument special de cercetare pentru a le descoperi structura” pentru a înțelege cum sunt aranjați atomii și ce atomi sunt prezenți. „Chiar și cu cel mai puternic microscop electronic, probabil că puteți vedea un atom individual, dar dacă utilizați tehnologia sincrotronului, puteți obține o rezoluție de 100 de ori mai mică.”

Zhang a început să folosească facilități și tehnici de sincrotron. cu mai bine de 20 de ani în urmă, în cercetarea sa de materiale ca doctor. student la Universitatea din Western Ontario. Când CLS a fost deschis în 2004, „Am fost atât de încântat să știu că avem primul nostru sincrotron canadian”, a spus el. De atunci, și ca și propriul său doctorat. supervizor, el și-a trimis studenții la CLS și partenerul său sincrotron - Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, lângă Chicago) pentru a efectua experimente SAC la fața locului.

Din perspectiva cercetării de bază, a spus Zhang. rămân două mari obstacole în dezvoltarea catalizatorilor cu un singur atom.

„În primul rând, vrem cu adevărat să înțelegem mai bine de ce unii catalizatori cu un singur atom sunt atât de buni, atât de activi, dar uneori s-ar putea să nu fie stabili. după câteva ore, așa că trebuie să proiectăm catalizatori cu un singur atom pentru a fi activi pe o perioadă lungă (de timp) Există multă muncă de făcut cu acești catalizatori pentru a-i face mai puternici și mai utilizabili.”

Cealaltă provocare este creșterea utilizării SAC la scară comercială.

„Vrem să colaborăm cu oameni din industria chimică pentru a găsi aplicații în lumea reală”, a spus Zhang. „În laborator, ai cataliză la scară foarte mică, dar în industria chimică, este de o mie de ori mai mare”. Capacitatea de a extinde o reacție catalitică cu un singur atom deschide ușa către „toate tipurile de aplicații în industria chimică”.

În timp ce potențialul viitor este interesant, Zhang a spus că cercetarea fundamentală SAC ar fi imposibilă fără „acces la facilități de clasă mondială precum CLS și APS”.

Cercetarea este publicată în revista revista Accounts of Chemical Research.

(Fluierul)