Ученые изобрели металл-хамелеон, который действует так же, как и многие другие

Группа исследователей энергетики под руководством Университета городов-побратимов Миннесоты изобрела устройство, которое электронным способом преобразует один металл, чтобы он вел себя как другой, для использования в качестве катализатора в химических реакциях. Устройство, названное «каталитический конденсатор», впервые продемонстрировало, что альтернативные материалы, модифицированные электронным способом для придания новых свойств, могут обеспечить более быструю и эффективную химическую обработку.

Изобретение открывает двери для новых каталитических технологий с использованием катализаторов из недрагоценных металлов для важных приложений, таких как хранение возобновляемой энергии, производство возобновляемого топлива и производство устойчивых материалов.

Исследование опубликовано онлайн в JACS Au, где оно было выбрано в качестве публикации «Выбор редакции». Команда также сотрудничает с Управлением коммерциализации технологий Университета Миннесоты и имеет предварительный патент на устройство.

Химическая обработка в прошлом веке опиралась на использование определенных материалов для производства химических веществ и материалов, которые мы используем в повседневной жизни. Многие из этих материалов, такие как рутений, платина, родий и палладий, обладают уникальными электронными поверхностными свойствами. Они могут действовать как металлы, так и оксиды металлов, что делает их критически важными для контроля химических реакций.

Широкая публика, вероятно, лучше всего знакома с этой концепцией в связи с ростом краж каталитических нейтрализаторов на автомобилях. Каталитические нейтрализаторы ценны из-за содержания в них родия и палладия. На самом деле палладий может быть дороже золота.

Этих дорогих материалов часто не хватает во всем мире, и они стали основным препятствием для развития технологий.

Чтобы разработать этот метод настройки каталитических свойств альтернативных материалов, исследователи полагались на свои знания о том, как электроны ведут себя на поверхности. Команда успешно проверила теорию о том, что добавление и удаление электронов к одному материалу может превратить оксид металла в нечто, имитирующее свойства другого.

«Атомы на самом деле не хотят изменять свое количество электронов, но мы изобрели устройство каталитического конденсатора, которое позволяет нам регулировать количество электронов на поверхности катализатора», — сказал Пол Дауэнхауэр, научный сотрудник Макартура и профессор химической инженерии. материаловедения в Университете Миннесоты, который руководил исследовательской группой. «Это открывает совершенно новую возможность контролировать химию и заставить изобилие материалов действовать как драгоценные материалы».

Устройство каталитического конденсатора использует комбинацию нанометровых пленок для перемещения и стабилизации электронов на поверхности катализатора. Эта конструкция имеет уникальный механизм объединения металлов и оксидов металлов с графеном, чтобы обеспечить быстрый поток электронов с поверхностями, которые можно настроить для химии.

«Используя различные тонкопленочные технологии, мы объединили наноразмерную пленку оксида алюминия, изготовленную из дешевого широко распространенного металлического алюминия, с графеном, который мы затем смогли настроить, чтобы он приобрел свойства других материалов», — сказал Циа Минг Онн, исследователь с докторской степенью в Университете Миннесоты, изготовивший и испытавший каталитические конденсаторы. «Существенная возможность настройки каталитических и электронных свойств катализатора превзошла наши ожидания».

Конструкция каталитического конденсатора имеет широкое применение в качестве базового устройства для ряда производственных приложений. Эта универсальность обусловлена его нанометровым изготовлением, которое включает графен в качестве вспомогательного компонента активного поверхностного слоя. Способность устройства стабилизировать электроны (или отсутствие электронов, называемых «дырками») регулируется с помощью изменения состава сильно изолирующего внутреннего слоя. Активный слой устройства также может включать в себя любой базовый каталитический материал с дополнительными добавками, которые затем можно настроить для достижения свойств дорогих каталитических материалов.

«Мы рассматриваем каталитический конденсатор как платформенную технологию, которую можно внедрить во множество производственных приложений», — сказал Дэн Фрисби, профессор и руководитель факультета химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета и член исследовательской группы. «Основные идеи дизайна и новые компоненты могут быть изменены практически для любой химии, которую мы можем себе представить».

Команда планирует продолжить свои исследования каталитических конденсаторов, применяя их к драгоценным металлам для решения некоторых из наиболее важных проблем устойчивого развития и защиты окружающей среды. Уже реализуется несколько параллельных проектов по хранению возобновляемой электроэнергии в виде аммиака, производству ключевых молекул возобновляемого пластика и очистке потоков газообразных отходов.