Det finns ett högt intresse, till och med entusiasm, bland kemister och materialforskare om potentialen hos single-atom catalysts (SACs), men deras utveckling är beroende av mycket specialiserade verktyg som endast finns tillgängliga på synkrotroner som Canadian Light Source (CLS) på University of Saskatchewan (USask).
"Det här är ett riktigt spännande forskningsområde", säger Dr. Peng Zhang, professor i kemi och biomedicinsk teknik vid Dalhousie University och en långvarig CLS-användare.
Katalysatorer är nanopartiklar belagda med material - ofta dyra metaller som platina, palladium och guld - som påskyndar kemiska reaktioner. En betydande nackdel för konventionella katalysatorer är att endast en liten andel av det katalytiska materialet används i den kemiska reaktionen, vilket gör dem ineffektiva och slösaktiga, förklarade Zhang.
Med den växande efterfrågan på ren och hållbar energi kan användning av SAC i energisystem hjälpa miljön och spara pengar. SAC har fördelar som att göra reaktioner mer effektiva, använda mindre sällsynta metaller och förbättra prestandan hos enheter som bränsleceller och batterier. De kan också hjälpa till att lagra förnybar energi från källor som sol och vind, vilket gör den mer tillförlitlig.
När det gäller katalysatorer för bilar, som är utformade för att omvandla avgasutsläpp till mindre giftiga föroreningar, sa Zhang att mindre än hälften av platinaatomerna i katalysatorn är tillgängliga för den nödvändiga kemiska reaktionen.
Målet med SAC-forskning är att kontrollera ytatomstrukturen hos katalysatorer med individuella atomer av det katalytiska materialet i en matris av billigare material, vilket säkerställer att allt material är tillgängligt för reaktionen. "När du designar katalysatorn så att den har en enatomsstruktur kan du avsevärt förbättra deras aktivitet och prestanda i den katalytiska applikationen", säger Zhang.
Utmaningarna med att arbeta på en enda atoms nivå är betydande, medgav han, men det är där CLS kommer in.
"Om du tänker på enatomskatalysatorer är de så små att du behöver ett speciellt forskningsverktyg för att avslöja deras struktur" för att förstå hur atomerna är ordnade och vilka atomer som finns. "Även med det mest kraftfulla elektronmikroskopet kan du förmodligen se en enskild atom, men om du använder synkrotronteknologi kan du få en upplösning 100 gånger mindre."
Zhang började använda synkrotronanläggningar och tekniker för mer än 20 år sedan i sin materialforskning som Ph.D. student vid University of Western Ontario. När CLS öppnade 2004, "Jag var så exalterad över att veta att vi har vår första kanadensiska synkrotron", sa han. Sedan dess, och som sin egen Ph.D. handledare har han skickat sina elever till CLS och dess partnersynkrotron – Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, nära Chicago) för att utföra SAC-experiment på plats.
Ur ett grundforskningsperspektiv sa Zhang att det återstår två stora hinder i utvecklingen av enatomskatalysatorer.
"För det första vill vi verkligen förstå bättre varför vissa enatomskatalysatorer är så bra, så aktiva, men ibland kanske de inte är stabila efter några timmar, så vi måste designa enatomskatalysatorer för att vara aktiva under en lång period (av tid). Det finns mycket arbete att göra med dessa katalysatorer för att göra dem mer kraftfulla och mer användbara."
Den andra utmaningen är att öka användningen av SAC till kommersiell skala.
"Vi vill samarbeta med människor inom den kemiska industrin för att hitta verkliga tillämpningar," sa Zhang. "I labbet har man väldigt småskalig katalys, men i den kemiska industrin är den tusen gånger större." Möjligheten att skala upp en enatoms katalytisk reaktion öppnar dörren till "alla typer av kemisk industritillämpningar."
Även om den framtida potentialen är spännande, sa Zhang att grundläggande SAC-forskning skulle vara omöjlig utan "tillgång till anläggningar i världsklass som CLS och APS."
Forskningen publiceras i tidskriften Accounts of Chemical Research .
Mer information: Ziyi Chen et al, Strukturell analys av enatomskatalysatorer genom röntgenabsorptionsspektroskopi, Redovisningar för kemisk forskning (2024). DOI:10.1021/acs.accounts.3c00693
Journalinformation: Räkenskaper för kemisk forskning
Tillhandahålls av Canadian Light Source
