"Tioelektronregeln" ger vägledning för utformningen av enatomslegerade katalysatorer för riktade kemiska reaktioner.
Ett samarbetsteam över fyra universitet har upptäckt en mycket enkel regel för att designa enatomslegeringskatalysatorer för kemiska reaktioner. "Tioelektronregeln" hjälper forskare att identifiera lovande katalysatorer för sina experiment mycket snabbt. Istället för omfattande försök och felexperiment med beräkningskrävande datorsimuleringar, kan katalysatorernas sammansättning föreslås helt enkelt genom att titta på det periodiska systemet.
Enkelatomlegeringar är en klass av katalysatorer gjorda av två metaller:några få atomer av reaktiv metall, som kallas dopämnet, späds ut i en inert metall (koppar, silver eller guld). Denna senaste teknik är extremt effektiv för att påskynda kemiska reaktioner men traditionella modeller förklarar inte hur de fungerar.
Teamet, som arbetade över University of Cambridge, University College London, University of Oxford och Humboldt-University of Berlin, har publicerat sin forskning i Nature Chemistry . Forskarna gjorde datorsimuleringar för att reda ut de underliggande lagarna som styr hur enatomslegerade katalysatorer fungerar.
Regeln visade ett enkelt samband:kemikalier binder starkast till enatomslegerade katalysatorer när dopningsmedlet omges av tio elektroner. Detta innebär att forskare som designar experiment nu helt enkelt kan använda kolumnerna i det periodiska systemet för att hitta vilka katalysatorer som kommer att ha de önskade egenskaperna för sina reaktioner.
Dr Romain Réocreux, en postdoktor i gruppen av prof. Angelos Michaelides, som ledde denna forskning, säger:"När du har en svår kemisk reaktion behöver du en katalysator med optimala egenskaper. Å ena sidan en starkt bindande katalysator kan förgifta och sluta accelerera din reaktion, å andra sidan kan en svagt bindande katalysator bara göra ingenting."
"Nu kan vi identifiera den optimala katalysatorn bara genom att titta på en kolumn i det periodiska systemet. Detta är mycket kraftfullt eftersom regeln är enkel och kan påskynda upptäckten av nya katalysatorer för särskilt svåra kemiska reaktioner."
Prof. Stamatakis, professor i beräkningsmässig oorganisk kemi vid University of Oxford, som bidrog till forskningen, säger:"Efter ett decennium av intensiv forskning om enatomslegeringar har vi nu ett elegant, enkelt men kraftfullt teoretiskt ramverk som förklarar bindning. energitrender och gör det möjligt för oss att göra förutsägelser om katalytisk aktivitet."
Med hjälp av denna regel föreslog teamet en lovande katalysator för en elektrokemisk version av Haber-Bosch-processen, en nyckelreaktion för syntesen av gödningsmedel som har använt samma katalysator sedan den först upptäcktes 1909.
Dr. Julia Schumann, som startade projektet vid University of Cambridge och nu är vid Humboldt-Universität i Berlin, förklarar, "Många katalysatorer som används i den kemiska industrin idag upptäcktes i laboratoriet med hjälp av försök och felmetoder. Med en bättre förståelse av materialens egenskaper kan vi föreslå nya katalysatorer med förbättrad energieffektivitet och minskad CO2 utsläpp för industriella processer."
Mer information: Tioelektronräkningsregel för bindning av adsorbater på enatomslegerade katalysatorer, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01424-6
Tillhandahålls av University of Cambridge
