I slutet av 1700-talet, en skotsk kemist vid namn Elizabeth Fulhame upptäckte att vissa kemiska reaktioner endast inträffade i närvaro av vatten och att, i slutet av dessa reaktioner, mängden vatten var inte uttömd. Fulhame var den första forskaren som visade kraften hos en katalysator - ett material som kan påskynda en kemisk reaktion utan att förbrukas av det.

Tvåhundra år senare, katalysatorer en av det moderna livets motorer. Den kemiska industrin är beroende av katalysatorer för 90 procent av sina processer – allt från raffinering av olja, förvandla petroleum till plast, och producera gödselmedel mat och medicin, att skrubba luften på skadliga föroreningar som släpps ut från bilar och fabriker.

Att designa katalytiska system för ett så brett spektrum av applikationer är en stor utmaning. Katalysatorer måste integreras i system som spänner över ett brett spektrum av storlekar, former, och materialsammansättningar, och kontrollera en mängd olika kemiska reaktioner under mycket olika förhållanden. Dessutom, de flesta specialiserade katalysatorer är beroende av sällsynta och dyra metaller som platina, palladium, och rodium uppburet på metall- eller metalloxidmatriser med hög yta.

Nu, ett team av forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Harvard Wyss Institute for Biologically-Inspired Engineering har utvecklat och testat ett nytt tillvägagångssätt för att optimera designen av avstämbara katalytiska system.

Forskningen, ledd av Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap och professor i kemi och kemisk biologi, beskrivs i en serie tidningar publicerade i Avancerade material , Avancerade funktionella material , och Chemistry-A European Journal . Aizenberg är också en Core Faculty Member av Wyss Institute.

En av de största utmaningarna med att utveckla effektiva katalysatorer är att designa de nanostrukturerade porösa fasta ämnen på och i vilka reaktioner äger rum. Under en lång tid, Aizenbergs forskning har fokuserat på att studera komplexa naturliga mikro- och nanostrukturerade material - som de i skimrande opaler eller i fjärilsvingar - och att reda ut hur biologin styr kemin och morfologin hos dess nanoskala byggstenar. Inspirerad av naturliga processer, teamet av forskare vid SEAS och Wyss utvecklade en metodik för att skapa perfekta, mycket beställt, opalliknande mikromaterial för ett brett spektrum av katalytiska och fotokatalytiska reaktioner.

För att skapa dessa strukturer, forskarna introducerade en sammonteringsmetod där små, sfäriska partiklar och matrisprekursorer avsätts samtidigt från en enda blandning för att producera defektfria filmer över centimeterskalor. Forskarna visade denna process med allmänt använda katalytiska material, inklusive titanium, aluminiumoxid och zirkoniumoxid, som innehåller olika mono- och multimetalliska nanopartiklar.

"Att expandera denna metodik till icke-biologiska kristallina material kommer att resultera i mikroskalaarkitekturer med förbättrad fotonisk, elektronisk, och katalytiska egenskaper, " sa Tanya Shirman, en postdoktor vid SEAS och Technology Development Fellow vid Wyss Institute och medförfattare till forskningen.

Vid utformningen av själva de katalytiska partiklarna, forskarna vände sig också till naturen, använda biokatalysatorer, såsom enzymer, för inspiration. I biologiska system, de katalytiska materialen i nanoskala fäster vid större enheter som proteiner och celler, som självorganiserar sig för att bilda större nätverk av exakt designade katalytiska platser.

"Naturen har haft miljarder år av FoU för att fullända designen av katalytiska system, " sa Tanya Shirman. "Som ett resultat, de är otroligt effektiva och möjliggör koordinering och finjustering av sofistikerade reaktioner genom optimal positionering av de katalytiska komplexen."

Forskarna härmade den hierarkiska arkitekturen hos naturliga katalysatorer genom att utveckla en mycket modulär plattform som bygger komplexa katalysatorer från organiska kolloider och oorganiska katalytiska nanopartiklar. Teamet kan styra allt från kompositionen, storlek, och placering av de katalytiska nanopartiklarna till kolloidstorleken, form, och anslutning, och nätverkets övergripande form och mönster. De resulterande katalytiska systemen använder betydligt lägre mängder ädelmetaller än befintliga katalysatorer.

"Ädelmetall är en mycket begränsad resurs, " sa Elijah Shirman, en postdoktor vid SEAS och Wyss Institute och medförfattare till forskningen. "Genom att optimera designen och minimera mängden ädelmetaller som används i katalytiska system, vi kan skapa mer hållbara katalysatorer i allmänhet och använda katalytiska material på sätt som för närvarande inte är överkomliga."

Metoden är relativt enkel:För det första, de katalytiska nanopartiklarna fäster vid kolloiderna genom olika typer av kemiska och fysiska bindningar. Belagd med nanopartiklar, kolloiderna placeras sedan i en matrisprekursorlösning och tillåts självmontera till det önskade mönstret, som kan styras genom att begränsa sammansättningen inom en viss form. Slutligen, kolloiderna avlägsnas så att ett strukturerat nätverk som är dekorerat med nanopartiklar delvis inbäddade i matrisen bildas. Denna hierarkiska porösa arkitektur med fast fästa katalytiska platser maximerar ytarean för den katalytiska reaktionen och förbättrar katalysatorns robusthet.

"Vår syntetiska plattform tillåter en att ta komponenterna i monteringen och bilda en helt sammankopplad, högordnad porös mikroarkitektur, där katalytiska nanopartiklar är unikt inkorporerade, " sa Tanya Shirman. "Detta ger exceptionell mekanisk, termisk, och kemisk stabilitet samt hög yta och full tillgänglighet för diffuserande reaktanter."

"Tekniken som utvecklats i mitt labb är särskilt lovande för att överbrygga klyftan mellan toppmodern forskning och utveckling och verkliga tillämpningar, ", sa Joanna Aizenberg. "På grund av dess modulära design och tunerbarhet, denna ram kan användas inom olika områden från syntesen av viktiga kemiska produkter, för att minska föroreningar. Våra resultat visar tydligt att vi nu kan skapa bättre katalysatorer, använd mindre ädel metall och förbättra kända katalytiska processer."

Denna teknik håller nu på att valideras och utvecklas för kommersialisering av Wyss Institute.

Aizenbergs team fokuserar för närvarande på att utveckla nästa generations katalysatorer för ett antal applikationer – från ren luftteknik och katalysatorer till avancerade elektroder för katalytiska bränsleceller – i hopp om att snart testa deras design i verkliga system.

Teamet fick nyligen andra plats i Harvard's President's Innovation Challenge, som identifierar och främjar lovande teknikföretag som har potential för betydande samhälls- och miljöpåverkan.