Forskarna övervägde regenerering, eller självläkning - förmågan hos katalysatorn att spontant reparera sig själv under normala operationer - för att vara den mest attraktiva egenskapen. Kredit:EPFL
Forskare som arbetar inom NCCR MARVEL har upptäckt en självläkande katalysator som kan användas för att frigöra väte genom hydrolytisk dehydrering av ammoniakboran. Katalysatorn, SION-X, är baserad på det rikliga mineralet Jacquesdietrichite, är hållbart, luftstabil och kan lätt regenereras, lagras och hanteras. Dessa egenskaper gör att den kan erbjuda betydande fördelar jämfört med befintliga katalysatorer som används vid produktionen av den rena och förnybara energibäraren väte. Forskningen har publicerats i Journal of Materials Chemistry A .
Väte (H 2 ) är en ren och förnybar energibärare och anses vara en idealisk kandidat för framtida mobila och stationära applikationer. Storskalig användning kräver säker och effektiv förvaring och utsläpp av H 2 , dock, och detta är fortfarande en utmaning trots undersökningar av flera system för lagring av väte.
På senare år har viss forskning har fokuserat på bor-kväve-baserade (B-N) hydridföreningar eftersom de kan lagra och frigöra betydande mängder H 2 . Av föreningarna, det enklaste, ammoniakboran (AB), är särskilt lovande eftersom det inte lider av självhydrolys i vatten, den har ett högt H 2 innehåll, låg molekylvikt, är giftfritt och har särskilt hög stabilitet i både vattenlösningar och luft – det har stor potential för användning ombord inom transport.
Hydrolys vid rumstemperatur har visat sig vara den mest godartade och effektiva metoden för att frigöra väte från AB, vilket förhindrar användningen av förhöjda temperaturer eller andra giftiga och dyra lösningsmedel. En katalysator behövs dock ofta för att driva hydrolysen av AB. Och medan det finns en rad katalysatorer som kan frigöra väte effektivt från AB, de lider av ett antal nackdelar. De baserade på ädelmetaller är dyra, icke hållbart, och ogenomförbart för storskaliga tillämpningar. Icke-ädelmetallkatalysatorer är luftkänsliga och kan lätt oxideras och kräver därför speciell hantering och lagring, och kan vara svåra att återskapa. Ovanpå det, katalytisk aktivitet är delvis minskad eller till och med helt inaktiverad efter några cykler av reaktionen, som, till exempel, i fallet med jordnära övergångsmetaller.
Dessa nackdelar motiverade forskarna, ledd av Dr Kyriakos C. Stylianou från EPFL och NCCR MARVEL, att försöka hitta bättre katalysatorer. Idealiska kandidater bör baseras på rikliga element, luft stabil, och lätt regenererad, lagras och hanteras. Av alla dessa starka sidor, forskarna övervägde förnyelse, eller självläkning – katalysatorns förmåga att spontant reparera sig själv under normala operationer – för att vara den mest attraktiva. Verkligen, det är avgörande för praktiska tillämpningar eftersom katalysatorns stabilitet är direkt kopplad till dess ekonomiska bärkraft.
Deras roman, självläkande hållbar katalysator, beskrivs i artikeln Discovery of a Self-healing Catalyst for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane, verkar passa räkningen. Katalysatorn, dubbad SION-X, är den syntetiska formen av Jacquesdietrichite (Cu 2 [(BO)(OH)2](OH) 3 ), ett mineral som först hittades i Tachgagalt-gruvan i Marocko 1999. Forskarna fick det först som ett blått pulver efter att ha exponerat återstoden av reaktionen mellan en kopparbaserad metallorganisk ram (MOF) och AB för fri luft. När de använde SION-X i hydrolysen av AB, de erhöll mer än 90% omvandling av H 2 på cirka 45 minuter. Under processen, det omvandlades till koppar(0) nanopartiklar. När reaktionsblandningen sedan exponerades för luft, det blå pulvret av SION-X var självläkande och omvandlade från koppar(0) nanopartiklar. De kunde utföra 10 cykler av katalys-regenerering med aktiviteten av SION-X oförändrad.
Denna självläkningsprocess, där katalysatorn återställde sin strukturella integritet i fri luft utan att tillföra värme, tryck eller elektrisk förspänning, är oerhört viktigt för att förlänga katalysatorns livslängd och gör SION-X till en bra kandidat för användning i storskalig hydrolytisk dehydrering av AB.
"Den självläkande katalysen av SION-X i avsaknad av extra energitillförsel ger ett nytt perspektiv i heterogen katalys för energirelaterade tillämpningar, " sa forskarna.
