I åratal, metallnanopartiklarna som används i katalysatorer har blivit mindre och mindre. Nu, ett forskargrupp vid TU Wien i Wien, Österrike har visat att allt plötsligt är annorlunda när du når den minsta möjliga storleken:en enda atom.

Metaller som guld eller platina används ofta som katalysatorer. I fordonets katalysatorer, till exempel, platina nanopartiklar omvandlar giftig kolmonoxid till giftfri CO ₂ . Eftersom platina och andra katalytiskt aktiva metaller är dyra och sällsynta, de inblandade nanopartiklarna har blivit mindre och mindre med tiden.

Enatomkatalysatorer är den logiska slutpunkten för denna nedskärning:Metallen finns inte längre som partiklar, men som enskilda atomer som är förankrade på ytan av ett billigare stödmaterial. Enskilda atomer kan inte längre beskrivas med hjälp av reglerna som utvecklats från större metallbitar, så reglerna som används för att förutsäga vilka metaller som är bra katalysatorer måste uppdateras - detta har nu uppnåtts vid TU Wien. Som det visar sig, enda atomkatalysatorer baserade på mycket billigare material kan vara ännu mer effektiva. Dessa resultat har nu publicerats i tidskriften Vetenskap .

Mindre är ibland bättre

Endast metallens yttre atomer kan spela en roll i kemiska processer - trots allt, atomerna inuti kommer aldrig i kontakt med miljön. För att spara material, det är därför bäst att använda små metallpartiklar istället för stora klumpar, så att en större andel av atomerna ligger vid ytan. Om vi ​​går till den yttersta gränsen och använder enskilda atomer, varenda atom är kemiskt aktiv. Under det senaste decenniet har fältet "enkelatom" -katalys vuxit dramatiskt, uppnå stora framgångar.

Fel modell, rätt lösning

"Anledningarna till att vissa ädelmetaller är bra katalysatorer undersöktes redan på 1970 -talet, "säger prof. Gareth Parkinson från Institute for Applied Physics vid TU Wien." Till exempel Gerhard Ertl tilldelades Nobelpriset för kemi 2007 för att ha gett kärnanalys i atomskala. "

I en metallbit, en elektron kan inte längre tilldelas en specifik atom; de elektroniska tillstånden är resultatet av samspelet mellan många atomer. "För enskilda atomer, de gamla modellerna är inte längre tillämpliga "säger Gareth Parkinson." Individuella atomer delar inte elektroner som en metall, så elektronbanden, vars energi var nyckeln till att förklara katalys, finns helt enkelt inte i det här fallet. "

Gareth Parkinson och hans team har därför intensivt undersökt atommekanismerna bakom denna enatomkatalys under de senaste åren. "I många fall förblir de metaller som vi tänker på som bra katalysatorer goda katalysatorer i form av individuella atomer" säger Gareth Parkinson. "I båda fallen är det samma elektroner, de så kallade d-elektronerna, som är ansvariga för detta. "

Anpassade fastigheter genom skräddarsydda ytor

Helt nya möjligheter uppstår i enkelatomskatalys som inte är tillgängliga vid användning av vanliga metallpartiklar:"Beroende på ytan på vilken vi placerar metallatomerna och vilka atombindningar de bildar, vi kan ändra atomernas reaktivitet, "förklarar Parkinson.

I vissa fall, särskilt dyra metaller som platina är inte längre nödvändigtvis det bästa valet. "Individuella nickelatomer visar ett stort löfte för oxidation av kolmonoxid. Om vi ​​förstår atommekanismerna för en atomkatalys, vi har mycket mer utrymme att påverka de kemiska processerna, säger Parkinson.

Åtta olika metaller analyserades exakt på detta sätt vid TU Wien - resultaten passar perfekt med de teoretiska modeller som nu har utvecklats i ett samarbete med professor Cesare Franchini vid Wien universitet.

"Katalysatorer är mycket viktiga på många områden, särskilt när det gäller kemiska reaktioner som spelar en stor roll i försök att utveckla en förnybar energiekonomi, "understryker Gareth Parkinson." Vår nya metod visar att det inte alltid behöver vara platina. "Den avgörande faktorn är atomernas lokala miljö - och om du väljer det korrekt, du kan utveckla bättre katalysatorer och samtidigt spara resurser och kostnader.