Katalysatorer är i huvudsak boosters som ökar hastigheten på en kemisk reaktion, och används ofta inom petroleumraffinering, kol och naturgas omvandling, och ammoniakproduktion, för att nämna några. Katalysatorer driver också ny batteri- och bränslecellsteknologi, som vanligtvis är (termiskt eller elektriskt) energikrävande, vilket kräver katalys för att sänka reaktionstemperaturen, tryck, eller elektrokemiska överpotentialer.
Katalysatorer med en atom maximerar metallanvändningseffektiviteten för varje atom och ger överlägsen prestanda, representerar katalysens gräns. Enkla atomer, dock, är vanligtvis instabila när de syntetiseras vid låg temperatur (t.ex. mindre än 1000K), och tenderar att återaggregera till nanopartiklar som ett sätt att minimera ytenergi. För detta ändamål, ett forskarlag vid University of Maryland (UMD) Department of Materials Science and Engineering (MSE) utvecklade en högtemperaturstötvågskatalysmetod – som når upp till 3000K, som är hälften av solens temperatur - avsedd att "förankra" enskilda atomer på substratet, ger överlägsen termisk stabilitet.
Forskargruppen ledd av MSE Professor Liangbing Hu, publicerade sin studie i Naturens nanoteknik den 12 augusti. Yonggang Yao, MSE Ph.D. Student och medlem av Dr. Hus forskargrupp, fungerade som huvudförfattare på tidningen.
"Vår metod uppnås med hjälp av periodisk på-av-uppvärmning med ett kort på-läge (~1500K i 55 ms) och ett 10 gånger längre från-tillstånd (rumstemperatur), " sade Yao. "Den höga temperaturen ger aktiveringsenergi för atomspridning genom att bilda starka metalldefekta bindningar, medan off-state kritiskt säkerställer den övergripande stabiliteten."
Joule-uppvärmning användes för att träffa de höga temperaturmärkena, och teamet bekräftade syntes med in situ scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). Denna teknik kan användas i katalytiska reaktioner såsom metanomvandling, som omvandlar naturgas till användbara kemikalier som etylen, etan och bensen.
"Den rapporterade stötvågsmetoden är enkel, ultrasnabb och universell, som öppnar en allmän väg för tillverkning av en enda atom som är konventionellt utmanande, " sa Hu.
