Forskare har skapat en ny typ av katalysator som kommer att leda till nya, hållbara sätt att tillverka och använda molekyler och skydda tillgången på ädelmetaller.

Ett forskarlag från University of Nottingham har designat en ny typ av katalysator som kombinerar egenskaper som tidigare ansetts vara ömsesidigt uteslutande och utvecklat en process för att tillverka nanokluster av metaller i massskala.

I sin nya forskning, publiceras idag i Naturkommunikation , de visar att beteendet hos nanokluster av palladium inte överensstämmer med de ortodoxa egenskaper som definierar katalysatorer som antingen homogena eller heterogena.

Traditionellt, katalysatorer är indelade i homogena, när katalytiska centra är intimt blandade med reaktantmolekyler, och heterogen, där reaktioner äger rum på ytan av en katalysator. Vanligtvis, kemister måste göra kompromisser när de väljer en eller annan typ, eftersom homogena katalysatorer är mer selektiva och aktiva, och heterogena katalysatorer är mer hållbara och återanvändbara. Dock, nanoklustren av palladiumatomer verkar trotsa de traditionella kategorierna, som visas genom att studera deras katalytiska beteende i reaktionen av cyklopropanering av styren.

Katalysatorer möjliggör nästan 80 procent av industriella kemiska processer som levererar de viktigaste ingredienserna i vår ekonomi, från material (som polymerer) och läkemedel ända fram till jordbrukskemikalier inklusive gödningsmedel och växtskydd. Den höga efterfrågan på katalysatorer innebär att globala leveranser av många användbara metaller, inklusive guld, platina och palladium, utarmas snabbt. Utmaningen är att utnyttja varje atom till sin maximala potential. Exploatering av metaller i form av nanokluster är en av de mest kraftfulla strategierna för att öka den aktiva yta som är tillgänglig för katalys. Dessutom, när dimensionerna på nanokluster bryter igenom nanometerskalan, metallens egenskaper kan förändras drastiskt, leder till nya fenomen som annars är otillgängliga i makroskala.

Forskargruppen använde analytiska och avbildningstekniker för att undersöka strukturen, dynamik, och kemiska egenskaper hos nanoklustren, för att avslöja det inre av denna ovanliga katalysator på atomnivå.

Teamets upptäckt har nyckeln till att låsa upp den fulla potentialen för katalys inom kemi, leder till nya sätt att tillverka och använda molekyler på de mest atomeffektiva och energitåliga sätten.

Forskningen leddes av Dr Jesum Alves Fernandes, Propulsion Futures Beacon Nottingham Research Fellow från School of Chemistry, han sa:"Vi använder det mest direkta sättet att göra nanokluster, genom att helt enkelt sparka ut atomerna från bulkmetall med en stråle av snabba joner av argon – en metod som kallas magnetronförstoftning. Vanligtvis, denna metod används för att göra beläggningar eller filmer, men vi trimmade den för att producera nanokluster av metall som kan deponeras på nästan vilken yta som helst. Viktigt, nanoklusterstorleken kan kontrolleras exakt med experimentella parametrar, från en enda atom till några nanometer, så att en rad enhetliga nanokluster kan genereras på begäran inom några sekunder."

Dr Andreas Weilhard, en postdoc-forskare från Green Chemicals Beacon i teamet tillade:"Metalklusterytor som produceras med denna metod är helt "nakna", och därmed mycket aktiv och tillgänglig för kemiska reaktioner som leder till hög katalytisk aktivitet."

Professor Peter Licens, direktör för GSK Carbon Neutral Laboratory vid University of Nottingham tillade:"Denna metod för katalysatortillverkning är viktig inte bara för att den tillåter den mest ekonomiska användningen av sällsynta metaller, men det gör det på det renaste sättet, utan behov av lösningsmedel eller kemiska reagenser, genererar därmed mycket låga halter av avfall, vilket är en allt viktigare faktor för grön kemisk teknik."

Universitetet kommer att inleda ett storskaligt projekt för att utöka detta arbete med forskning som ska leda till skydd av hotade element.

Professor Andrei Khlobystov, huvudutredare för MASI, sa:"Vårt projekt är inställt på att revolutionera hur metaller används i ett brett spektrum av teknologier, och att bryta vårt beroende av kritiskt hotade element. Specifikt, MASI kommer att göra framsteg inom:minskningen av koldioxid (CO ₂ ) utsläpp och dess valorisering till användbara kemikalier; produktionen av "grön" ammoniak (NH ₃ ) som ett alternativt bränsle med nollutsläpp och en ny vektor för lagring av väte; och tillhandahållandet av mer hållbara bränsleceller och elektrolyserteknik."

Metallnanokluster aktiveras för reaktioner med molekyler, som kan drivas av värme, ljus eller elektrisk potential, medan justerbara interaktioner med bärarmaterial ger hållbarhet och återanvändbarhet för katalysatorer. Särskilt, MASI-katalysatorer kommer att användas för aktivering av svårknäckta molekyler (t.ex. N ₂ , H ₂ och CO ₂ ) i reaktioner som utgör ryggraden i den kemiska industrin, såsom Haber-Bosch-processen.