Interaktion mellan negativt laddade joner och positivt laddade ythålrum av C12A7 för effektiv stabilisering av enstaka platinaatomer. Kreditera: Naturkommunikation
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har visat att enstaka platinaatomer fångade i C12A7 -kristaller fungerar som en stabil och effektiv katalysator för hydrogenering av nitroarener, en väsentlig process vid tillverkning av många sorters finkemikalier. Deras tillvägagångssätt kan bli en mångsidig väg för utveckling av andra enkelatomkatalysatorer för omfattande industriella tillämpningar.
Single-atom katalysatorer (SAC) är på väg att bli drömkatalysatorer-sådana som uppvisar utmärkt prestanda baserat på optimerad användning av metallatomer. Många forskargrupper runt om i världen har arbetat för att främja den skalbara utvecklingen av SAC sedan de först föreslogs av Tao Zhang och kollegor i Kina och USA 2011.
Nu, i en proof-of-concept studie som öppnar dörren för att utveckla ett nytt sortiment av SAC, forskare vid Tokyo Tech har designat och testat en katalysator bestående av enstaka platinaatomer fångade i C12A7, en nanoporös kristall som ofta används vid tillverkning av aluminiumhaltigt cement.
Den inre strukturen för C12A7 -kristaller är "precis rätt storlek" för att fånga enstaka metallatomer, säger forskarna i sin artikel publicerad i Naturkommunikation .
"Vår strategi är snarare som en" diamant-i-en-ring "-strategi, där C12A7s ythålighet kan betraktas som en ring, och den enda platinaatomen är fixerad på ringen som en diamant, "säger författaren Tian-Nan Ye vid Tokyo Techs materialforskningscenter för elementstrategi.
Ni förklarar att C12A7 har en positivt laddad ramstruktur bestående av tolv burar i storleken på nanometer, var och en med en innerdiameter på cirka 0,4 nanometer - en lämplig storlek för att fånga enskilda metallatomer. Varje bur har en positiv laddning på +1/3, och ytkaviteterna har en öppen 'mun' som kan fånga enstaka metallatomer genom elektronisk interaktion.
Katalysatorn har visat sig vara mycket stabil och aktiv mot selektiv hydrogenering av nitroarener, en viktig process som ofta används inom färg- och polymerindustrin. Den har en högre omsättningsfrekvens (upp till 25, 772 per timme) än för platinabaserade katalysatorer som inte stöds av C12A7. Anmärkningsvärt, den nya katalysatorn fungerar även vid temperaturer upp till 600 ° C.
Baserat på dessa lovande resultat, forskarna undersökte om infångningseffekten kan fungera med andra metaller. Som de förutspådde, C12A7 kunde också fånga enstaka atomer av rutenium och rodium, vilket indikerar att deras strategi skulle vara tillämplig på olika övergångsmetaller.
"Våra resultat öppnar otaliga dörrar för att utveckla nya typer av SAC för olika katalytiska processer, "säger Ye. På grund av dess exceptionellt höga termiska stabilitet, C12A7 -stödet skulle kunna motstå hårdare förhållanden som är involverade i andra industriellt viktiga processer som ammoniaksyntes och CO 2 minskning.
Ni påpekar att utvecklingen av SAC inte kan separeras från utforskning av nya material. Detta är en viktig anledning till att professor Hideo Hosonos grupp vid Tokyo Tech är unikt positionerad att vara en pionjär inom SAC -forskning, han säger, som bygger på en rad prestationer inklusive utveckling av nya halvledare, en järnbaserad superledare, och den första rumstemperaturstabila elektroden.
