Det finns en dictum att "aldrig ändra ett körsystem." Nya metoder kan dock vara långt överlägsna äldre. Även om kemiska reaktioner hittills huvudsakligen accelereras av katalytiska material som omfattar flera hundra atomer, användningen av enstaka atomer skulle kunna ge ett nytt tillvägagångssätt för katalys.

Ett internationellt forskarlag, leds av TU Wien, Österrike, har nu utvecklat en ny metod för att förankra enskilda atomer på ett kontrollerat och stabilt sätt på ytor. Detta är ett viktigt steg mot enatomskatalys. Forskarna som arbetar med Bernhard C. Bayer presenterade den nya metoden i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano .

Enstaka atomer för att ersätta nanopartiklar

Moderna katalysatorer består av nanopartiklar och är därför mycket små. Dock, med tanke på deras storlek på atomär skala, de består fortfarande av hundratals atomer, mycket större än enatomskatalysatorer. Om det skulle bli möjligt att påskynda kemiska reaktioner med enstaka atomer, detta kan öppna nya möjligheter för katalys. Enatomskatalys kan vara mer hållbar och energieffektiv och den kan också vara mer selektiv och uppnå en högre omsättning än traditionella processer.

I den nyutvecklade metoden, kiselatomer fungerar som "ankare" för enstaka metallatomer. Kiselatomer själva förekommer ofta som en förorening i kolbärarmaterialen. Till dessa kiselatomer är nu indiumatomer bundna, som kan fungera som enatomskatalysatorer. "Indiumatomerna binder selektivt till kiselankarna i kolkristallgittret, " säger Bernhard C. Bayer från Institutet för materialkemi vid TU Wien. "Därmed förblir de individuella indiumatomerna stabila och förankrade vid sina positioner och klumpar sig inte ihop, " fortsätter Bayer, som ledde forskningen. "Det som gör den nya tekniken särskilt spännande är att indiumatomerna är förankrade på ett självmonterat sätt, om reaktionsbetingelserna är rätta. Detta gör processen potentiellt skalbar, ", tillägger Kenan Elibol från University of Vienna och Trinity College Dublin och första författare till studien.

Processen kom dock också med sina utmaningar som forskargruppen framgångsrikt mötte. Särskilt avsättningen av enskilda atomer på fasta stödytor är svår. Detta beror på att enstaka atomer normalt flyttar sig snabbt från sina platser och klumpar ihop sig för att bilda större partiklar. Bildandet av sådana större partiklar förnekar fördelarna med enatomskatalys.

Ytterligare tester kommer att följa

Med hjälp av ett högupplöst elektronmikroskop vid universitetet i Wien, forskargruppen kunde observera mekanismerna för kiselförankringen av de enskilda indiumatomerna. "Vi kunde visa, att indiumatomernas förankring beror på hur kiselankarna är bundna i kolkristallgittret, säger Toma Susi från universitetet i Wien, som ytterligare belyst ankarstrukturerna med moderna beräkningsmetoder. "En sådan kontrollerad och rumstemperaturstabil förankring av enskilda atomer på fasta ytor har inte rapporterats ännu och öppnar upp spännande perspektiv för katalytiska tillämpningar inom energi- och miljöområdet, ", tillägger Dominik Eder från TU Wien och en expert på katalys.

Ytterligare experiment kommer att följa så att den metod som utvecklats av wienforskarna också kan användas industriellt:"De enskilda atomerna som placerats med den nya metoden ska nu testas i detalj som katalysatorer för olika kemiska reaktioner, " säger Bernhard C. Bayer.