Forskare från National University of Singapore har utvecklat ett allmänt våtkemiskt tillvägagångssätt för skalbar och automatiserad syntes av ett bibliotek av enatomkatalysatorer med ultrahög densitet (UHD-SAC) för 15 vanliga övergångsmetaller på kemiskt distinkta bärare via en kontrollerad två -stegs termisk glödgningsstrategi.

Katalysatorer spelar en viktig roll i ett antal industriella kemiska processer och det finns ett ökande behov av mer avancerade versioner för att förbättra deras effektivitet. Heterogena single atom catalysts (SAC) är en ny klass av katalysatorer som består av isolerade metallatomer var för sig dispergerade på ytan av bärare. Deras unika geometriska och elektroniska egenskaper har potential att avsevärt förbättra selektiviteten för de riktade katalytiska reaktionerna och sänka driftskostnaderna. Sedan konceptet SAC myntades 2011 har intresset för denna klass av SAC-material ökat globalt med fokus på deras användning för att förbättra effektiviteten av kemiska omvandlingar för hållbara industriella processer. En grundläggande utmaning för att implementera denna banbrytande klass av katalysatorer i många tekniska tillämpningar är bristen på syntetiska vägar för att producera dem med höga ytdensiteter. Att uppnå det senare är särskilt viktigt för att maximera produktiviteten hos katalysatorerna i storskaliga industriella processer.

Ett NUS-forskarteam ledd av professor Jiong Lu från Institutionen för kemi och Institutet för funktionella intelligenta material, National University of Singapore, har tagit itu med denna utmanande fråga genom att utveckla en skalbar och mångsidig tvåstegsglödgningsmetod för att förbereda bibliotek med ultrahög- densitet SAC. Detta arbete är ett samarbete mellan Prof Javier Pérez-Ramírez från ETH Zürich, Prof Jun Li från Tsinghua University och Dr. Xiaoxu Zhao från Nanyang Technological University (NTU). Metoden utnyttjar kontrollen av borttagning av ligand från metallprekursorer och deras associerade interaktioner med bäraren för att mätta materialytan med metallatomer.

En selektiv förankringsmekanism som maximerar sannolikheten att binda metallatomen till alla tillgängliga koordinationsplatser på materialytan hjälper till att bibehålla en hög nivå av metalltäckning. Metallatomer som inte är fästa avlägsnas sedan genom tvättning. Detta förhindrar potentiell metallsintring i det efterföljande högtemperaturglödgningssteget som används för att avlägsna de kvarvarande liganderna. Glödgningssteget möjliggör också stabilisering av de mycket högre metallhalterna jämfört med konventionella impregneringsvägar (se figur (a)). Denna skalbara syntetiska väg för utveckling av UHD-SAC har demonstrerats för 15 vanliga övergångsmetaller med användning av kemiskt distinkta bärare av olika natur (inklusive kvävedopat kol, polymer kolnitrid, ceriumoxid, aluminiumoxid och titanoxid) med en belastning som överstiger 20 viktprocent (se figur (b)). Dessutom är det föreslagna tillvägagångssättet lätt mottagligt för ett standardiserat, automatiserat protokoll (se figur (c) och figur (d)) som visar dess robusthet och ger en gångbar väg att utforska ett stort antal bibliotek av mono- eller multimetalliska katalysatorer .

Teamet visade de potentiella fördelarna med hög belastning av SAC i distinkta katalytiska system, som sträcker sig från elektrokemisk, termisk och organisk katalys, vilket exemplifierar behovet av att optimera ytmetalldensiteten för en specifik katalytisk applikation. Dessutom speglar lastberoende platsspecifik aktivitet som observerats i distinkta katalytiska system den välkända komplexiteten i heterogen katalysatordesign. Detta kan nu lösas med ett bibliotek av SAC:er med brett avstämbara metallladdningar.

Prof Lu sa:"Vårt arbete har löst långvariga problem inom enatomskatalys, inklusive laddningstäthet och skalbar tillverkning av denna banbrytande klass av UHD-SAC. Detta är avgörande för deras industriella implementering i hållbara kemiska och energiomvandlingar." + Utforska vidare

Mesoporös struktur förbättrar katalytisk prestanda hos enatomskatalysatorer