Ett team av kemister och fysiker vid Utrecht University har lyckats designa en ny typ av katalysator. Genom att kombinera två metaller med atomprecision skapade de ett mycket effektivt katalytiskt material. Laget, ledd av prof. Petra de Jongh (kemi) och prof. Alfons van Blaaderen (fysik), publicerar sina fynd i Naturmaterial i dag.

Nanopartiklar

Katalysatorer påverkar vårt samhälle starkt. Cirka 90% av alla industriella kemiska processer använder en katalysator för att påskynda kemiska omvandlingar. Dessa katalysatorer innehåller vanligtvis små metallpartiklar, kallas nanopartiklar, som är cirka 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår. Strukturen och sammansättningen av dessa nanopartiklar avgör hur bra katalysatorn är. Även små förändringar i dessa nanopartiklar kan leda till stora skillnader i prestanda, medför därför betydande ekonomiska och miljömässiga konsekvenser för vårt samhälle.

Bimetalliska katalysatorer:när två är bättre än en

"En viktig utveckling för att förbättra prestanda för katalytiska material är att gå från konventionella katalysatorer av en enda metall till bimetalliska katalysatorer där två olika metaller kombineras, "förklarar Petra de Jongh. Dessa bimetalliska katalysatorer fungerar bättre, men ger också upphov till nya utmaningar. "Utmaningen är att med konventionella tekniker har du liten kontroll över nanopartiklarnas struktur, resulterar i partiklar med varierande mängder av båda metaller, och olika former och storlekar, allvarligt hämmar effektiviteten hos dessa bimetalliska katalysatorer. "Att designa bimetalliska katalysatorer med atomprecision var ett viktigt mål för Jessi van der Hoeven, en doktorsexamen kandidat som utförde sin forskning i två grupper vid Debye Institute for Nanomaterials, gemensamt övervakad av De Jongh (kemi) och Van Blaaderen (fysik).

Arrangera atomerna i en kärnskalldesign

Van der Hoeven hittade ett sätt att kombinera två metaller, guld och palladium, i en kärnskalstrukturerad nanopartikel samtidigt som man kontrollerar antalet lager av palladiumatomer. Dessa nya katalysatorer testades vid selektiv hydrering av butadien, en avgörande process för att rena råmaterial för tillverkning av plast. De Jongh noterar, "Vi var mycket glada över att se att vi med denna core-shell-design tillverkade katalysatorer som fungerar upp till 50 gånger bättre än de som bara består av guld eller bara palladium, eller en slumpmässig blandning av de två. "

Van der Hoeven tillägger, "Till vår förvåning observerade vi också att inte bara typen av atomer på ytan av nanopartikeln påverkar prestandan, men att atomernas natur i skikten under ytan också spelar roll. "Med hjälp av teoretiker från Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland) och spektroskopister från Sorbonne -universitetet i Paris (Frankrike), medförfattare till publikationen, de undersökte denna effekt i detalj.

Gott om plats längst ner

Även om de nuvarande guld-palladium-kärnskalskatalysatorerna överträffade sina förväntningar, författarna är övertygade om att det fortfarande finns många förbättringsmöjligheter. "Vi är bara i början, "kommentarer van Blaaderen." Nu när vi vet hur vi ska ordna atomerna i nanopartiklarna, variationen av strukturer och metallkombinationer som vi kan utforska är enorm. "Deras dröm för framtiden är att fortsätta bygga katalysatormaterial från botten upp, inspirerad av fysikern Richard Feynman, som redan förutspådde att "det finns gott om plats längst ner" för mänskligheten att bygga upp material atom för atom. Eller i det här fallet, lager på lager.