För att omvandla kolväten till bränsle, den petrokemiska industrin förlitar sig för närvarande främst på heterogena katalysatorer, som i de flesta fall innehåller aktiva metallplatser med dåligt definierade strukturer. På senare år har dock, ett studieområde känt som ytorganometallisk kemi (SOMC) har möjliggjort design och utveckling av mycket mer definierade, så kallade single-site katalysatorer, där metallplatser kan skräddarsys för att möta specifika krav.

Christophe Copéret, professor vid ETH Zürich, har undersökt potentialen hos SOMC för att syntetisera bränslen och energibärare på sätt som hittills varit ouppnåeliga med traditionella tekniker. I en nyligen publicerad tidning i Naturenergi , han skriver att SOMC kan öppna nya vägar för kolväteomvandling, samt hur det kan bidra till upptäckten av viktiga alkanhomologeringsprocesser och till förståelsen av heterogena katalysatorer.

"Jag är intresserad av att förstå komplexa system som heterogena katalysatorer på molekylär nivå, " Copéret sa till TechXplore. "Mot det målet, vårt laboratorium har utvecklat expertis för att generera väldefinierade ytarter där metallplatser förankras till ytor som ett första steg via ympning."

För att skapa katalysatorer med väldefinierade ytstrukturer, forskare måste kontrollera tätheten och naturen hos ytfunktionaliteterna som används för att förankra skräddarsydda molekylära prekursorer. I sin tidigare forskning, Copéret och hans kollegor visade att de resulterande väldefinierade ytplatserna, även kallad enstaka webbplatser, kan överträffa både homogena och klassiska heterogena katalysatorer.

Dessa katalysatorer presterar mycket bättre än motsvarande understödda metalloxidmetateskatalysatorer som använts i den petrokemiska industrin i flera år. Ett problem med den senare typen av katalysatorer är bristen på förståelse för aktiva platsstrukturer som hindrar rationella utvecklingsstrategier.

"Under de senaste åren har vi har varit intresserade av att förstå de aktiva platserna för dessa understödda metalloxider som används i industrin genom att utforska metoder för att generera väldefinierade ytanaloger via vår SOMC-metodik, nämligen via förankring av molekylära prekursorer på ytor och generering av isolerade metallställen genom att ta bort de återstående organiska liganderna via enkla efterbehandlingar, " Copéret förklarade. "Vårt mål var att generera dessa väldefinierade analoger för att utföra detaljerade spektroskopiska studier med det slutliga målet att härleda struktur-aktivitetsförhållanden på molekylnivå och riktlinjer för att utveckla dessa heterogena katalysatorer."

Väsentligen, SOMC fungerar genom att kontrollera inkorporeringen av metallplatser genom ympningsmetoder, i slutändan möjliggör generering av väldefinierade ytplatser. Detta molekylära tillvägagångssätt gör det möjligt att bygga katalysatorer med strukturellt karakteriserade aktiva platser, i skarp kontrast till industriella katalysatorer, som är mycket mer komplexa på grund av deras beredningsmetoder i vatten, till exempel, genom utfällning eller impregnering av en saltmetall.

Konventionella tekniker för att tillverka katalysatorer tenderar att ge komplexa blandningar och dåligt definierade system på grund av det invecklade samspelet mellan metallsalterna, vatten och stödet som involverar flera upplösnings-/utfällningshändelser. Å andra sidan, katalysatorer som härrör från SOMC-processer tenderar att vara bättre definierade, ger forskare tillgång till strukturell information om sina metallplatser.

"Kemi i vatten och oxider är mycket mer komplicerad än man kanske vill tro, " sa Copéret. "Med vårt tillvägagångssätt, vi förenklar bara kemin."

I sin senaste tidning, Copéret sammanfattar SOMCs nyckeltillgångar, lyfta fram dess potential för att driva på innovation inom katalys och i den petrokemiska industrin. Även om det fortfarande finns flera utmaningar att övervinna, han tror att SOMC så småningom kan bidra till att öka förståelsen för katalytiska händelser på molekylär nivå.

"Katalysatorer framställda av SOMC ger en mycket trevlig modell, där spektroskopi ger relevant information om aktiva arter, eftersom de flesta ytplatserna är liknande till sin natur genom design, " Copéret förklarade. "Det gör det också möjligt för en att få tillgång till signaturen för aktiva arter och att föreslå strukturell information om aktiva platser i motsvarande industriella katalysatorer."

Än så länge, Copéret och hans medarbetare vid ETH Zürich har framgångsrikt använt SOMC för att förstå de aktiva platserna för heterogena katalysatorer för metates och polymerisation av olefiner, såväl som för propandehydrering. Den molekylära förståelsen som härrör från dessa modeller kan i slutändan fungera som en vägledande princip för att framställa heterogena katalysatorer på ett mer rationellt sätt och har redan använts för att utveckla lågtemperaturmetatesprocesser.

Forskarna genomför nu ytterligare studier där de planerar att använda de enskilda platser som utvecklats med SOMC för att styra gränssnitt och sammansättning av mycket mer komplexa system, såsom stödda nanopartiklar, en ännu större klass av heterogena katalysatorer. I dessa system, metallen/metallerna, stödet, och initiativtagare spelar viktiga roller, ändå är de ofta dåligt förstådda på molekylär nivå, vilket gör katalysatorer baserade på understödda nanopartiklar särskilt svåra att utveckla på ett rationellt sätt.

"Som sammanfattat i en artikel vi skrev tidigare i år och publicerade på Enl. Chem. Res . tidning, vi använder SOMC och de härledda enskilda platserna för att förbereda dessa understödda nanopartiklar med målet att förstå stöd- och promotoreffekter och att härleda molekylärbaserad vägledande princip, ", sa Copéret. "Vi använder också dessa system för att upptäcka nya reaktioner genom att designa komplexa gränssnitt mot design av tandemprocesser."

© 2019 Science X Network