Fasta matriskatalysatorer som kallas heterogena katalysatorer är bland de mest utbredda industriella tillämpningarna för att minska giftiga gaser, oförbränt bränsle, och partikelformigt material i avgasströmmen från förbränningskammaren. De används också i energi, kemisk, och läkemedelssektorn, dvs. produktion av biodiesel, polymerer, omvandling av biomassa/avfall till värdefulla produkter, och många andra processer. Allt tack vare deras aktiva platser och höga yta. Ändå, deras höga effektivitet begränsas av det astronomiska priset på ädelmetaller, Så, kostnadseffektiva substitut med jämförbar effektivitet verkar vara en helig gral för branschen. En färsk artikel presenterad av forskare från Institute of Physical Chemistry, Polska vetenskapsakademin ledd av dr. eng. Izabela S. Pieta står inför utmaningen att presentera ny nanostrukturell bimetallkomposit för katalys.

C som katalys

Katalysatorer finns överallt och har en enorm inverkan på kemiska processer. De omger oss även i naturen; till exempel, celler kräver naturliga katalysatorer som enzymer för flera biokemiska processer. Samma sak händer inom energiomvandlingsfältet, där fasta katalysatorer driver tekniska processer. Enligt förbränningsmotorerna, ädelmetaller som platina placeras på rökgaserna som strömmar ut genom förbränningskammaren. När giftiga gaser berör katalysatorernas yta, de sönderfaller, ger slutprodukterna CO ₂ och H ₂ O. Hemligheten ligger i de aktiva platserna på materialet som påverkar intermediärernas adsorptionsenergi för reaktion och aktivering av övergångstillstånd. Den slutliga mekanismen för bindningsbrytning leder till bildandet av särskilda molekyler. Det gör ädelmetaller till rockstjärnor i industriella tillämpningar.

Under de senaste decennierna, katalysatorapplikationen växte enormt, att nå en kritisk punkt för höga kostnader för ädelmetaller som behövs för bränsle, farmaci, och produktion av kemiska föreningar. Så, ekonomisk katalys med hög effektivitet blev en av de främsta utmaningarna för framtida framsteg inom många industriella teknologier. Säkert, det är nästan omöjligt att tillhandahålla ett material för att uppfylla alla industriella krav. Vi kan säkert förbättra mycket katalysatoraktivitet och till och med hållbarhet genom kemiska modifieringar av aktiva ytor för den givna processen, medan låt oss börja från början – katalysatorstorlek. Nanomaterial erbjuder ett högt yt-volymförhållande som ökar deras aktivitet. När det gäller ädelmetaller, bibehålla nanometrisk storlek gör dessa material mycket aktiva, ger stark reaktantbindning och katalysatorselektivitet.

Nya katalysatorer vid horisonten

Nyligen, forskare från Institutet för fysikalisk kemi under ledning av dr. Izabela S. Pieta beskrev nanostrukturella bimetalliska katalysatorer immobiliserade på den halvledande ytan för deras potentiella tillämpning i termiska, Foto-, och elektrokatalys. Dessa system har redan rapporterats ge extraordinära resultat i processer dedikerade till bränsleceller, dvs. metanol och etanolelektrooxidation (I.S.Pieta et al. Tillämpad katalys B:Miljömässig , 2019, 244), hållbara gröna kemikalier, och bränsleproduktion (I.S.Pieta et al. Tillämpad katalys B:Miljömässig , 2019, 244, och ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2020, 8(18), och till och med koldioxidreduktion mot gasformiga och flytande bränslen (I.S.Pieta et al. Avancerade material Gränssnitt, 2021, 2001822). Låt oss ta en närmare titt på dem.

I bimetalliska nanostrukturer, två metaller, t.ex., Pt-Au, är förenade, där den primära metallen fungerar som en värdroll, och den andra är en gäst. Med andra ord, det är en legering, på en nanometrisk skala, fördelningen av särskilda atomer i partiklarna har en enorm betydelse.

Intressant, bimetalliska strukturer uppträder högre katalytisk aktivitet i jämförelse med monometalliska motsvarigheter. Deras sammanfogning kan skilja sig från en blandning av två olika metaller där den andra är ganska regelbundet fördelad i matrisen av den första eller kärna-skalstrukturen där den första metallen är täckt med den andra. Ett annat alternativ är nanostrukturer som har två kemiskt olika halvor (kallade Janus-nanopartiklar) eller kopplar ihop två kemiskt olika nanopartiklar. Tyvärr, dessa kombinationer av två olika metaller kan genomgå ständiga förändringar i så liten skala på grund av den atomära omorganisationen.

Sammansättningen och atomarrangemanget i bimetalliska strukturer bestämmer deras katalytiska prestanda. Nanomaterial kan lätt agglomerera eller ändra ytstruktur på grund av sin höga ytaktivitet, sänker deras katalyseffektivitet. Dessutom, deras yta kan lätt förgiftas av halvprodukter från kemiska reaktioner, så att förutsäga de förändringar som sker på bimetalliska ytor som påverkar materialaktiviteten är svårt.

Så varför inte börja från början och skapa en plattform som skulle stabilisera dessa nanostrukturer? När väl avgjort, nanopartiklar skulle vara mindre mottagliga för ytförändringar. Forskare föreslog att stabilisera bimetalliska nanopartiklar på det elektriskt ledande materialet som kol eller kolnitrid. Sedan, dess yta modifierades med polymermaterial baserat på grafitkolnitrid (g-C3N4) gjord av subenheter av triazinmolekyler sammanslagna i platta trianglar som ser ut som grafenarket. Ytan på det bimetalliska systemet undersöktes inom flera spektroskopiska tekniker.

"Utvecklingen och optimeringen av bimetalliska nanokatalysatorer kan ge en ny klass av material med överlägsen, inställbar prestanda, termisk stabilitet, och minskade kostnader jämfört med för närvarande tillgängliga kommersiella katalysatorer. Vi förutser att tack vare de unika egenskaperna hos stödmaterial, dvs. grafitisk kolnitrid, dessa katalysatorer kan hitta en potentiell tillämpning inom -termisk/-elektro/ och -fotokatalys. Dock, innan det händer, man måste förstå hur man designar det effektiva bimetalliska systemet, hur detta system fungerar under driftsförhållanden, och varför förhållandet form-struktur-aktivitet är viktigt, " hävdar Izabela S. Pieta.

g-C3N4 har en rik heteroatomstruktur som avslöjar katalytiska egenskaper. Tack vare närvaron av flera funktionella grupper, den kan enkelt på sin yta vara värd för bimetalliska system som ädla Pt-Au Pt-Pd, eller övergångar metallbaserade Cu-Ni nanopartiklar. Det har ansetts vara ett lovande stödmaterial som stabiliserar de bimetalliska nanopartiklarna och hämmar deras förgiftning med kemikalier. Dessutom, det ger en enorm möjlighet för solenergiskörd och omvandling till en värdefull produkt eller annan energiform.

"Inspirerad av naturen, mänskligheten har lärt sig att solljus är en av de mest kraftfulla energikällorna på jorden. Den effektiva omvandlingen av ljus till en användbar energiform är huvudsakligen begränsad på grund av icke-effektiv laddningsseparation och dålig arkitektur för ljusupptagningskatalysatorer. Förutsättningarna för bred spektral skörd och gynnsam energinivåanpassning för den avsedda ljusutlösta processen bör kopplas till snabb laddningsseparering och uppsamling, konkurrerar framgångsrikt med fotogenererad laddningsrekombination. Problemet som nämns ovan kan lösas genom korrekt val av fotoaktiva komponenter och lämplig konstruktion av fotoreaktorer. Att kombinera materialegenskaper och mikrofluidikteknik är en perfekt lösning som integrerar flera komponenter och ger en enkel lösning för den kontinuerliga katalytiska processen vid dynamisk vätska-vätska, fast-vätska, eller gas-fasta-vätska-gränssnitt, ", hävdar första författaren dr. Ewelina Kuna.

Immobilisering skyddar mot ytförändringar och agglomerering av nanopartiklar och möjliggör skalbar applicering på en stor yta.

Anmärkningar dr. Izabela Pieta, "De bimetalliska katalytiska systemen är kända för att ge högre katalytiska aktiviteter, och de gjorde det möjligt att nå mycket hög effektivitet i många processer. Vi är fortfarande fokuserade på mer komplexa system där katalysatorsammansättningen och strukturarrangemanget kan resultera i högre aktivitet men högre selektivitet mot målprodukter och förbättrad katalysatorstabilitet mot förgiftning, varaktighet, och livstid. Vår forskning täcker en grundläggande förståelse av katalytiska ytor och utveckling av reaktionsmekanismer under icke-isolerade förhållanden. Denna kunskap kommer säkerligen att resultera i innovativ katalysatordesign, både i molekylär skala (aktiv platsarkitekturdesign) och tillämpningsskala (industriell reaktorskala) genom att skräddarsy flera katalytiska aktiva platser och deras fördelning över arbetsytorna."

Bimetalliska nanopartiklar inbäddade i den g-C3N4 modifierade kolytan verkar vara en universell plattform för katalys, föra in starkt ljus i de processer som behöver nya nanostrukturella lösningar. Tack vare sådana studier fokuserade på formen och struktur-aktivitetsrelationen i bimetalliska system och dess immobilisering på den skalbara och ekonomiska matrisen, vi är ett steg närmare designen av de nya och hållbara katalysatorerna för industri.