Håll ut där, grafen. Allvarligt, ditt grepp kan hjälpa till att göra bättre katalysatorer.

Rice Universitys ingenjörer har satt ihop vad de säger kan omvandla kemisk katalys genom att kraftigt öka antalet enkla atomer av övergångsmetall som kan placeras i en kolbärare.

Tekniken använder grafen kvantprickar (GQD), 3-5 nanometer partiklar av det superstarka 2D-kolmaterialet, som förankringsstöd. Dessa underlättar enkla atomer av övergångsmetall med hög densitet med tillräckligt med utrymme mellan atomerna för att undvika klumpar.

Ett internationellt team ledd av kemi- och biomolekylär ingenjör Haotian Wang från Rice's Brown School of Engineering och Yongfeng Hu från Canadian Light Source vid University of Saskatchewan, Kanada, detaljerade arbetet i Naturkemi.

De bevisade värdet av deras allmänna syntes av hög metallbelastning, enatomskatalysatorer genom att tillverka en GQD-förbättrad nickelkatalysator som, i ett reaktionstest, visade en signifikant förbättring i den elektrokemiska reduktionen av koldioxid jämfört med en lägre nickelladdningskatalysator.

Wang sa att dyra ädelmetaller som platina och iridium studeras allmänt av enatomskatalysatorgemenskapen med målet att minska den massa som behövs för katalytiska reaktioner. Men metallerna är svåra att hantera och utgör vanligtvis en liten del, 5 till 10 viktprocent eller mindre, av den totala katalysatorn, inklusive stödmaterial.

Däremot Wang-labbet uppnådde övergångsmetallbelastningar i en enkelatoms iridiumkatalysator på upp till 40 viktprocent, eller 3 till 4 åtskilda enstaka metallatomer per var hundratal kolsubstratatomer. (Det beror på att iridium är mycket tyngre än kol.)

"Detta arbete är fokuserat på en grundläggande men mycket intressant fråga som vi alltid ställer oss själva:Hur många fler enskilda atomer kan vi ladda på ett kolbärare och inte sluta med aggregering?" sa Wang, vars labb fokuserar på energieffektiv katalys av värdefulla kemikalier.

"När du krymper storleken på bulkmaterial till nanomaterial, ytan ökar och den katalytiska aktiviteten förbättras, " sa han. "Under de senaste åren, människor har börjat arbeta med att krympa katalysatorer till enskilda atomer för att ge bättre aktivitet och bättre selektivitet. Ju högre belastning du når, desto bättre prestanda kan du uppnå."

"Enstaka atomer uppvisar den maximala ytarean för katalys, och deras fysiska och elektroniska egenskaper är mycket olika jämfört med bulk- eller nanoskalasystem, " sa han. "I den här studien, vi ville tänja på gränsen för hur många atomer vi kan ladda på ett kolsubstrat."

Han noterade att syntesen av enatomskatalysatorer nu måste vara en "top-down" eller "bottom-up" process. Den första kräver att man gör lediga platser i kolskivor eller nanorör för metallatomer, men eftersom vakanserna ofta är för stora eller inte enhetliga, metallerna kan fortfarande aggregera. Den andra involverar glödgning av metall och andra organiska prekursorer för att "karbona" ​​dem, men metallerna tenderar fortfarande att klunga ihop sig.

Den nya processen tar en medelväg genom att syntetisera GQDs funktionaliserade med aminlinkers och sedan pyrolysera dem med metallatomerna. Aminerna tvärbinder med metalljonerna och håller dem utspridda, maximera deras tillgänglighet för att katalysera reaktioner.

"Maximalt verkar vara cirka 3-4 atomprocent med detta tillvägagångssätt, " Wang sa. "Framtida utmaningar inkluderar hur man ytterligare kan öka tätheten av enskilda atomer, säkerställa hög stabilitet för verkliga applikationer och skala upp deras syntesprocesser."