Forskare i Australien har kunnat använda spårmängder av flytande platina för att skapa billiga och högeffektiva kemiska reaktioner vid låga temperaturer, vilket öppnar en väg till dramatiska utsläppsminskningar i viktiga industrier.

I kombination med flytande gallium är mängderna platina som krävs tillräckligt små för att avsevärt utöka jordens reserver av denna värdefulla metall, samtidigt som de kan erbjuda mer hållbara lösningar för CO₂ reduktion, ammoniaksyntes i gödseltillverkning och skapande av gröna bränsleceller, tillsammans med många andra möjliga tillämpningar inom kemisk industri.

Dessa fynd, som fokuserar på platina, är bara en droppe i det flytande metallhavet när det kommer till potentialen hos dessa katalyssystem. Genom att expandera på denna metod kan det finnas mer än 1 000 möjliga kombinationer av element för över 1 000 olika reaktioner.

Resultaten kommer att publiceras i tidskriften Nature Chemistry måndagen den 6 juni.

Platina är mycket effektiv som katalysator (utlösaren för kemiska reaktioner) men används inte i stor skala i industriell skala eftersom det är dyrt. De flesta katalyssystem som involverar platina har också höga löpande energikostnader att driva.

Normalt är smältpunkten för platina 1 700°C. Och när den används i fast tillstånd för industriella ändamål, måste det finnas cirka 10 % platina i ett kolbaserat katalytiskt system.

Det är inte ett överkomligt förhållande när man försöker tillverka komponenter och produkter för kommersiell försäljning.

Det kan dock komma att förändras i framtiden efter att forskare vid UNSW Sydney och RMIT University hittat ett sätt att använda små mängder platina för att skapa kraftfulla reaktioner, och utan dyra energikostnader.

Teamet, inklusive medlemmar av ARC Center of Excellence in Exciton Science och ARC Center of Excellence in Future Low Energy Technologies, kombinerade platina med flytande gallium, som har en smältpunkt på bara 29,8°C – det är rumstemperatur på en varm dag. När det kombineras med gallium blir platina lösligt. Med andra ord, det smälter och utan att elda upp en enormt kraftfull industriugn.

För denna mekanism krävs bearbetning vid förhöjd temperatur endast i det inledande skedet, när platina löses i gallium för att skapa katalyssystemet. Och även då är det bara runt 300°C för en timme eller två, inte i närheten av de kontinuerliga höga temperaturer som ofta krävs inom kemiteknik i industriell skala.

Den bidragande författaren Dr. Jianbo Tang från UNSW liknade det vid att en smed använde en varm smedja för att tillverka utrustning som håller i flera år.

"Om du arbetar med järn och stål måste du värma upp det för att göra ett verktyg, men du har verktyget och du behöver aldrig värma upp det igen", sa han.

"Andra människor har provat detta tillvägagångssätt men de måste köra sina katalyssystem vid mycket höga temperaturer hela tiden."

För att skapa en effektiv katalysator behövde forskarna använda ett förhållande på mindre än 0,0001 platina till gallium. Och det mest anmärkningsvärda av allt, det resulterande systemet visade sig vara över 1 000 gånger effektivare än sin solid-state rival (den som behövde vara cirka 10 % dyr platina för att fungera)

Fördelarna slutar inte där – eftersom det är ett vätskebaserat system är det också mer pålitligt. Solid-state katalytiska system täpps till och slutar fungera. Det är inget problem här. Liksom en vattenfunktion med en inbyggd fontän fräschar vätskemekanismen upp sig själv hela tiden, självreglerar dess effektivitet under en lång tidsperiod och undviker den katalytiska motsvarigheten till dammskum som byggs upp på ytan.

Dr. Md. Arifur Rahim, huvudförfattare från UNSW Sydney, sa:"Från 2011 kunde forskare miniatyrisera katalysatorsystem ner till atomnivån för de aktiva metallerna. För att hålla de enskilda atomerna separerade från varandra, de konventionella systemen kräver fasta matriser (som grafen eller metalloxid) för att stabilisera dem. Jag tänkte varför inte använda en flytande matris istället och se vad som händer.

"De katalytiska atomerna som är förankrade på en fast matris är orörliga. Vi har lagt till rörlighet till de katalytiska atomerna vid låg temperatur genom att använda en flytande galliummatris."

Mekanismen är också tillräckligt mångsidig för att utföra både oxidations- och reduktionsreaktioner, där syre tillförs respektive tas bort från ett ämne.

UNSW-experimentalisterna var tvungna att lösa några mysterier för att förstå dessa imponerande resultat. Med hjälp av avancerad beräkningskemi och modellering kunde deras kollegor vid RMIT, ledd av professor Salvy Russo, identifiera att platina aldrig blir fast, ända ner till nivån för enskilda atomer.

Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi avslöjade betydelsen av hennes RMIT-teams modelleringsarbete.

"Vad vi hittade är att de två platinaatomerna aldrig kom i kontakt med varandra", sa hon.

"De var alltid åtskilda av galliumatomer. Det bildas ingen fast platina i det här systemet. Det är alltid atomärt dispergerat i galliumet. Det är riktigt coolt och det är vad vi hittade med modelleringen, som är mycket svår att observera direkt genom experiment."

Överraskande nog är det faktiskt galliumet som driver den önskade kemiska reaktionen och verkar under inverkan av platinaatomer i omedelbar närhet.

Exciton Science Associate Investigator Dr Andrew Christofferson från RMIT förklarade hur nya dessa resultat är:"Platinan är faktiskt en liten bit under ytan och den aktiverar galliumatomerna runt den. Så magin händer på galliumet under inflytande av platina .

"Men utan platina där händer det inte. Det här är helt annorlunda än någon annan katalys någon har visat, som jag känner till. Och det här är något som bara kan ha visats genom modelleringen." + Utforska vidare

'Dubbel dekoration' förbättrar industriell katalysator