Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har upptäckt en metallfri kolbaserad katalysator som har potential att vara mycket billigare och mer effektiv för många industriella problem, inklusive tillverkning av bio- och fossila bränslen, elektrokatalys, och bränsleceller.

När de är mest grundläggande, dessa industriprocesser involverar splittring av starka kemiska bindningar, som väte-väte, kol-syre, och kol-vätebindningar. Traditionellt har detta åstadkommits med katalysatorer som använder övergångs- eller ädelmetaller, många av dem dyra och låga i naturligt överflöd – som platina och palladium.

Forskarna utförde experiment med en typ av heterogen katalysator, Nitrogen-Assembly Carbons (NACs), där utformningen och placeringen av kväve på kolytan i hög grad påverkade materialets katalytiska aktivitet. Dessa N-atomer på kolytor troddes tidigare vara avlägsna från varandra, eftersom den nära placeringen av N-atomer är termodynamiskt instabil.

Teamet i Ames Lab korrelerade N-prekursorerna och pyrolystemperaturen för NACs-syntesen med N-distributionen och upptäckte att metastabila N-sammansättningar kan tillverkas genom design och leverera oväntade katalytiska reaktioner. Sådana reaktioner inkluderar hydrogenolys av aryletrar, dehydrering av etylbensen och tetrahydrokinolin, och hydrering av vanliga omättade funktioner (som keton, alken, alkyn, och nitrogrupper). Dessutom, NACs katalysatorer är robusta med konsekvent selektivitet och aktivitet för både vätske- och gasfasreaktioner under hög temperatur och/eller tryck.

"Vi upptäckte att hur kvävet fördelades på ytan av dessa NAC verkligen spelade roll, och insåg i processen att detta var en helt ny typ av kemisk aktivitet, " sa Ames Laboratory Associate Scientist Long Qi.

"Upptäckten bör göra det möjligt för forskare att designa kväveaggregat som kan åstadkomma mer sofistikerade och utmanande kemiska omvandlingar utan behov av övergångsmetaller", säger Ames Laboratory-forskare Wenyu Huang. "Det gäller i stort sett många olika typer av kemiska omvandlingar och industrier."