Katalysatorer är medel som initierar kemiska reaktioner, påskynda dem eller avsevärt öka utbytet av den önskade produkten. Nya och förbättrade katalysatorer anses därför vara nyckeln till att skapa mer hållbara och effektiva produktionsprocesser inom den kemiska industrin. I ett gemensamt forskningsprojekt, fem professorer vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) och deras team har nyligen upptäckt hur man kan kringgå de kända nackdelarna med de tekniska katalysatorer som för närvarande används med hjälp av ett nytt materialkoncept som gör skapandet av betydligt effektivare katalysatorer möjliga.
Denna nya generation av katalysatorer använder flytande droppar av metallegering fästa på porösa bärare som bringas i kontakt med de gasformiga reaktanterna. De mikroskopiskt små dropparna av legering är flytande eftersom de innehåller en hög andel gallium, ett grundämne med mycket låg smältpunkt. På samma gång, denna höga koncentration av gallium säkerställer att atomerna i de lösta sekundära metallkomponenterna är ordentligt dispergerade:de enskilda metallatomerna i lösning i galliumet är ansvariga för den katalytiska effekten. Forskarna har publicerat sina resultat i den ledande specialisttidskriften Naturkemi .
Understödda flytande katalysatorer
Under det senaste decenniet, forskare vid FAU har upprepade gånger kunnat visa sin internationella framgång inom området för innovationer av katalysatormaterial. Catalytic Materials är följaktligen ett nyckelforskningsområde inom Cluster of Excellence Engineering of Advanced Materials (EAM) vid FAU. Understödda flytande katalysatorer har ofta varit i fokus för de FAU-baserade forskarna. Dessa kombinerar fördelarna med skräddarsydda molekylreaktionsacceleratorer med fördelen att de lättare kan separeras från produkten. I konceptet som beskrivs i artikeln publicerad i Naturkemi , användningen av metallegeringar i uppburna flytande katalysatorer beskrivs för första gången. Dessutom, det är också första gången som katalytisk aktivitet har tillskrivits flytande metallegeringar.
Dessutom, de initialt testade materialkombinationerna har visat sig avsevärt överträffa tekniska standardkatalysatorer som har tagit år att utveckla. "Det är särskilt intressant att det finns liten eller ingen deaktivering av de understödda metallkomplexen när kolavlagringar bildas på dem, säger professor Peter Wasserscheid. "Det är avlagringar som denna som är huvudorsaken till deaktiveringen av katalysatorer som används för katalytisk omvandling vid höga temperaturer av den petrokemiska industrin." Forskarna kunde visa denna viktiga effekt i fallet med uttorkning av butan. Den speciella strukturella karaktären hos denna nya materialklass upptäcktes av fyra grupper som arbetar i samarbete:mikroskopisk analys utfördes av teamet under Wolfgang Peuker, teamen av Hans-Peter Steinrück och Christian Papp avslutade den spektrografiska analysen, Rainer Hocks team ansvarade för radiografisk analys medan motsvarande beräkningar gjordes av Andreas Görling och hans kollegor.
Gallium:framgångens hemlighet
Grundämnet gallium spelar en central roll i denna nya klass av material. Gallium smälter vid cirka 30°C och har en kokpunkt på 2400°C. Den besitter den unika förmågan att kunna lösa upp nästan alla andra metaller. När den utsätts för luft, ultratunna lager av oxid bildas på ytan av gallium; dock, dessa omvandlas tillbaka till det ursprungliga elementet under de förhållanden som erhålls under många katalytiska processer. Hittills, de FAU-baserade forskarna har uppnått sina spektakulära resultat med palladium löst i gallium. Därefter avser de att göra ytterligare forskning för att ta reda på om dessa extraordinära effekter även kan erhållas med hjälp av oädla metaller lösta i gallium och även om effekterna kan reproduceras i samband med andra kemiska reaktioner. 'Våra beräkningar leder oss till att anta att enstaka metallatomer lösta i gallium kan uppvisa helt andra reaktiva egenskaper än de som samma metall i kristallin form vanligtvis kommer att uppvisa, förklarar Andreas Görling. Det är därför vi är så fascinerade av denna nya klass av katalytiska material. Vi är övertygade om att med hjälp av stödda legeringskomplex, högeffektiva och mycket kostnadseffektiva katalysatorer kan utvecklas som har stor potential när det gäller industriella tillämpningar, tillägger Hans-Peter Steinrück.
