Катализатор для устойчивой революции в промышленной химии

Жидкий галлий и три твердых шарика платины, демонстрирующие процесс растворения платины в галлии, описанный в исследовательской статье. Предоставлено: доктор медицинских наук Арифур Рахим, Университет Нового Южного Уэльса, Сидней.

Катализаторы

Катализаторы — вещества, способные ускорять химические реакции, что очень важно для промышленной химии. Однако для некоторых реакций платина является отличным катализатором, но она довольно дорогая. На самом деле, это очень ценный драгоценный металл, и он стоит больше, чем золото.

Из-за этого очень полезно создавать новые менее дорогие катализаторы. Именно это и сделали исследователи, но объединили жидкий галлий с платиной.

Ученые в Австралии смогли использовать следовые количества жидкой платины для создания дешевых и высокоэффективных химических реакций при низких температурах, открыв путь к резкому сокращению выбросов в важнейших отраслях промышленности.

В сочетании с жидким галлием требуемое количество платины достаточно мало, чтобы значительно увеличить земные запасы этого ценного металла, в то же время потенциально предлагая более устойчивые решения для сокращения выбросов CO2, синтеза аммиака в производстве удобрений и создания экологически чистых топливных элементов, а также многие другие. другие возможные применения в химической промышленности.

Эти открытия, которые касаются платины, являются лишь каплей в океане жидких металлов, когда речь идет о потенциале этих систем катализа. Расширяя этот метод, можно получить более 1000 возможных комбинаций элементов для более чем 1000 различных реакций.

Результаты будут опубликованы в журнале Nature Chemistry в понедельник, 6 июня 2022 года.

Атомный вид каталитической системы, в которой серебряные сферы представляют собой атомы галлия, а красные сферы представляют собой атомы платины. Маленькие зеленые сферы — это реагенты, а синие — продукты, подчеркивающие каталитические реакции. Предоставлено: доктор медицинских наук Арифур Рахим, Университет Нового Южного Уэльса, Сидней.

Платина очень эффективна в качестве катализатора (инициатора химических реакций), но не используется в промышленных масштабах из-за дороговизны. Большинство систем катализа, включающих платину, также требуют больших затрат энергии для работы.

Обычно температура плавления платины составляет 1768°C (3215°F). А когда он используется в твердом состоянии в промышленных целях, в каталитической системе на основе углерода должно быть около 10% платины.

Это неприемлемое соотношение, если вы пытаетесь производить компоненты и продукты для коммерческой продажи.

Однако это может измениться в будущем, когда ученые из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее и Университета RMIT нашли способ использовать крошечные количества платины для создания мощных реакций без дорогостоящих затрат на энергию.

Команда, включающая членов Центра передового опыта ARC в области экситонных исследований и Центра передового опыта ARC в области технологий будущего с низким энергопотреблением, объединила платину с жидким галлием, температура плавления которого составляет всего 29,8°C — это комнатная температура на горячей день. В сочетании с галлием платина становится растворимой. Другими словами, он плавится, причем без разжигания огромной мощной промышленной печи.

Жидкий галлий и платиновые шарики крупным планом. Предоставлено: доктор медицинских наук Арифур Рахим, Университет Нового Южного Уэльса, Сидней.

Для этого механизма обработка при повышенной температуре требуется только на начальной стадии, когда платина растворяется в галлии для создания каталитической системы. И даже тогда это всего лишь около 300°C в течение часа или двух, что далеко не постоянно высокие температуры, которые часто требуются в промышленном химическом машиностроении.

Соавтор доктор Цзяньбо Тан из UNSW сравнил это с кузнецом, использующим горячую кузницу для изготовления оборудования, которое прослужит долгие годы.

• «Если вы работаете с железом и сталью, вам нужно нагреть их, чтобы сделать инструмент, но у вас есть инструмент, и вам никогда не придется его снова нагревать», — сказал он.
• «Другие люди пробовали этот подход, но им приходится постоянно запускать свои катализные системы при очень высоких температурах».

Чтобы создать эффективный катализатор, исследователям нужно было использовать соотношение платины и галлия менее 0,0001. И что самое примечательное, получившаяся система оказалась более чем в 1000 раз более эффективной, чем ее твердотельный конкурент (тот, который должен был быть примерно на 10% дороже платины, чтобы работать).

На этом преимущества не заканчиваются – поскольку это жидкостная система, она также более надежна.

Твердотельные каталитические системы со временем забиваются и перестают работать. Это не проблема здесь.

Как водное сооружение со встроенным фонтаном, жидкостный механизм постоянно обновляется, саморегулируя свою эффективность в течение длительного периода времени и избегая каталитического эквивалента прудовой пены, скапливающейся на поверхности.

Доктор медицинских наук Арифур Рахим, ведущий автор из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, сказал: «С 2011 года ученые смогли миниатюризировать каталитические системы до атомарного уровня активных металлов. Чтобы отделить отдельные атомы друг от друга, в обычных системах для их стабилизации требуются твердые матрицы (такие как графен или оксид металла). Я подумал, почему бы не использовать вместо этого жидкую матрицу и посмотреть, что получится.

«Каталитические атомы, закрепленные на твердой матрице, неподвижны. Мы добавили подвижности каталитическим атомам при низкой температуре, используя жидкую галлиевую матрицу».

Механизм также достаточно универсален, чтобы выполнять реакции окисления и восстановления, в которых кислород поступает в вещество или удаляется из него соответственно.

Чтобы понять эти впечатляющие результаты, экспериментаторам UNSW пришлось разгадать несколько загадок. Используя передовую вычислительную химию и моделирование, их коллеги из RMIT под руководством профессора Сальви Руссо смогли определить, что платина никогда не становится твердой, вплоть до уровня отдельных атомов.

Настаран Мефтахи, научный сотрудник Exciton Science Research, рассказал о важности работы по моделированию ее команды RMIT.

• «Мы обнаружили, что два атома платины никогда не вступали в контакт друг с другом», — сказала она.
• «Их всегда разделяли атомы галлия. В этой системе не образуется твердая платина. Он всегда атомарно рассеян внутри галлия. Это действительно круто, и это то, что мы обнаружили при моделировании, что очень сложно наблюдать непосредственно в ходе экспериментов».

Удивительно, но именно галлий выполняет работу по запуску желаемой химической реакции, действуя под влиянием атомов платины в непосредственной близости.

Младший исследователь Exciton Science доктор Эндрю Кристоферсон из RMIT объяснил, насколько новы эти результаты:

• «Платина фактически находится немного ниже поверхности и активирует атомы галлия вокруг нее. Так что волшебство творится на галлии под влиянием платины.
• «Но без платины там не бывает. Это полностью отличается от любого другого катализа, о котором мне известно. И это то, что можно было показать только с помощью моделирования».

Источник

Метки: Катализаторы