Ett team av energiforskare ledda av University of Minnesota Twin Cities har uppfunnit en enhet som elektroniskt omvandlar en metall så att den beter sig som en annan för att användas som katalysator i kemiska reaktioner. Enheten, som kallas en "katalytisk kondensor", är den första som visar att alternativa material som är elektroniskt modifierade för att ge nya egenskaper kan ge snabbare och effektivare kemisk bearbetning.

Uppfinningen öppnar dörren för nya katalytiska teknologier som använder katalysatorer av icke-ädelmetaller för viktiga tillämpningar som lagring av förnybar energi, tillverkning av förnybara bränslen och tillverkning av hållbara material.

Forskningen publiceras online i JACS Au , där den valdes som en Editor's Choice-publikation. Teamet arbetar också med University of Minnesota Office of Technology Commercialization och har ett provisoriskt patent på enheten.

Kemisk bearbetning under det senaste århundradet har förlitat sig på användningen av specifika material för att främja tillverkningen av kemikalier och material som vi använder i vårt dagliga liv. Många av dessa material, som ädelmetaller rutenium, platina, rodium och palladium, har unika elektroniska ytegenskaper. De kan fungera som både metaller och metalloxider, vilket gör dem avgörande för att kontrollera kemiska reaktioner.

Allmänheten är förmodligen mest bekant med detta koncept i förhållande till ökningen av stölder av katalysatorer på bilar. Katalysatorer är värdefulla på grund av rodium och palladium inuti dem. Faktum är att palladium kan vara dyrare än guld.

Dessa dyra material är ofta en bristvara runt om i världen och har blivit ett stort hinder för att utveckla tekniken.

För att utveckla denna metod för att justera de katalytiska egenskaperna hos alternativa material, förlitade sig forskarna på sin kunskap om hur elektroner beter sig vid ytor. Teamet testade framgångsrikt en teori om att tillsats och borttagning av elektroner till ett material kunde förvandla metalloxiden till något som efterliknade egenskaperna hos ett annat.

"Atomer vill verkligen inte ändra sitt antal elektroner, men vi uppfann den katalytiska kondensatoranordningen som gör att vi kan ställa in antalet elektroner på katalysatorns yta", säger Paul Dauenhauer, en MacArthur Fellow och professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota som ledde forskargruppen. "Detta öppnar upp en helt ny möjlighet att kontrollera kemin och få rikliga material att fungera som dyrbara material."

Den katalytiska kondensorn använder en kombination av nanometerfilmer för att flytta och stabilisera elektroner på ytan av katalysatorn. Denna design har den unika mekanismen att kombinera metaller och metalloxider med grafen för att möjliggöra snabbt elektronflöde med ytor som är inställbara för kemi.

"Med hjälp av olika tunnfilmstekniker kombinerade vi en film av aluminiumoxid i nanoskala gjord av lågkostnads ​​riklig aluminiummetall med grafen, som vi sedan kunde ställa in för att ta på egenskaperna hos andra material", säger Tzia Ming Onn, en post-doc forskare vid University of Minnesota som tillverkade och testade de katalytiska kondensorerna. "Den betydande förmågan att justera de katalytiska och elektroniska egenskaperna hos katalysatorn överträffade våra förväntningar."

Den katalytiska kondensorns design har bred användbarhet som plattformsenhet för en rad tillverkningsapplikationer. Denna mångsidighet kommer från dess nanometertillverkning som innehåller grafen som en möjliggörande komponent i det aktiva ytskiktet. Enhetens kraft att stabilisera elektroner (eller frånvaron av elektroner som kallas "hål") är avstämbar med varierande sammansättning av ett starkt isolerande inre skikt. Enhetens aktiva skikt kan också innehålla vilket baskatalysatormaterial som helst med ytterligare tillsatser, som sedan kan ställas in för att uppnå egenskaperna hos dyra katalytiska material.

"Vi ser den katalytiska kondensorn som en plattformsteknik som kan implementeras i en mängd tillverkningsapplikationer", säger Dan Frisbie, professor och chef för University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science och medlem av forskarteamet. "De grundläggande designinsikterna och nya komponenterna kan modifieras till nästan vilken kemi vi kan tänka oss."

Teamet planerar att fortsätta sin forskning om katalytiska kondensorer genom att applicera den på ädla metaller för några av de viktigaste hållbarhets- och miljöproblemen. Flera parallella projekt pågår redan för att lagra förnybar el som ammoniak, tillverka nyckelmolekylerna i förnybar plast och rena gasformiga avfallsströmmar. + Utforska vidare

Framtida katalysatorer kan ge mer valuta för pengarna