Den “kule” katalysatoren for en bærekraftig revolusjon innen industriell kjemi

Forskere i Australia har vært i stand til å bruke spormengder flytende platina for å lage billige og svært effektive kjemiske reaksjoner ved lave temperaturer, og åpnet en vei til dramatiske utslippsreduksjoner i viktige industrier.

Når det kombineres med flytende gallium vil mengdene av platina nødvendige er små nok til å utvide jordens reserver av dette verdifulle metallet betydelig, samtidig som de kan tilby mer bærekraftige løsninger for CO₂ reduksjon, ammoniakksyntese i gjødselproduksjon og grønn brenselcelleproduksjon, sammen med mange andre mulige bruksområder i kjemisk industri.

Disse funnene, som fokuserer på platina, er bare en dråpe i det flytende metallhavet når det kommer til potensialet til disse katalysesystemene. Ved å utvide denne metoden kan det være mer enn 1000 mulige kombinasjoner av elementer for over 1000 forskjellige reaksjoner.

Resultatene vil bli publisert i tidsskriftet Naturkjemi mandag 6. juni.

Platina er veldig effektiv som katalysator (utløseren for kjemiske reaksjoner), men er ikke mye brukt i industriell skala fordi det er dyrt. De fleste katalysesystemer som involverer platina har også høye løpende energikostnader å drifte.

Normalt er smeltepunkt for platina er 1700°C. Og når den brukes i en fast tilstand for industrielle formål må det være rundt 10 % platina i et karbonbasert katalytisk system.

Det er ikke et rimelig forhold når du prøver å produsere komponenter og produkter for kommersielt salg.

Det kan imidlertid endres i fremtiden etter at forskere ved UNSW Sydney og RMIT University fant en måte å bruke små mengder platina for å skape kraftige reaksjoner, og uten dyre energikostnader.

Teamet, inkludert medlemmer av ARC Center of Excellence in Exciton Science og ARC Center of Excellence in Future Low Energy Technologies, kombinerte platina med flytende gallium, som har et smeltepunkt på bare 29,8 °C – det vil si romtemperatur på en varm dag. Når det kombineres med gallium, blir platina løselig. Det smelter med andre ord, og uten å fyre opp en enormt kraftig industriovn.

For denne mekanismen er prosessering ved forhøyet temperatur bare nødvendig i det innledende stadiet, når platina er oppløst i gallium for å lage katalysesystemet. Og selv da er det bare rundt 300 °C i en time eller to, ikke i nærheten av de kontinuerlige høye temperaturene som ofte kreves i kjemisk ingeniørarbeid i industriell skala.

Medvirkende forfatter Dr. Jianbo Tang fra UNSW sammenlignet det med en smed som bruker en varm smie for å lage utstyr som vil vare i årevis.

“Hvis du jobber med jern og stål, må du varme det opp for å lage et verktøy, men du har verktøyet og du trenger aldri å varme det opp igjen,” sa han.

“Andre mennesker har prøvd denne tilnærmingen, men de må kjøre katalysesystemene sine ved svært høye temperaturer hele tiden.”

For å lage en effektiv katalysator, trengte forskerne å bruke et forhold på mindre enn 0,0001 platina til gallium. Og det mest bemerkelsesverdige av alt, det resulterende systemet viste seg å være over 1000 ganger mer effektivt enn solid-state rivalen (den som måtte være rundt 10 % dyr platina for å fungere)

Fordelene stopper ikke der – fordi det er et væskebasert system, er det også mer pålitelig. Solid-state katalytiske systemer tetter seg til slutt og slutter å fungere. Det er ikke noe problem her. Som et vannelement med en innebygd fontene, oppdaterer væskemekanismen seg selv konstant, selvregulerer effektiviteten over lang tid og unngår den katalytiske ekvivalenten til damskum som bygger seg opp på overflaten.

Dr. Md. Arifur Rahim, hovedforfatteren fra UNSW Sydney, sa: “Fra 2011 var forskere i stand til å miniatyrisere katalysatorsystemer ned til atomnivået til de aktive metallene. For å beholde enkeltatomer atskilt fra hverandre krever de konvensjonelle systemene solide matriser (som grafen eller metalloksid) for å stabilisere dem. Jeg tenkte, hvorfor ikke bruke en flytende matrise i stedet og se hva som skjer.

“De katalytiske atomene forankret på en fast matrise er immobile. Vi har tilført mobilitet til de katalytiske atomene ved lav temperatur ved å bruke en flytende galliummatrise.”

Mekanismen er også allsidig nok til å utføre både oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner, der oksygen tilføres til eller tas bort fra et stoff.

UNSW-eksperimentalistene måtte løse noen mysterier for å forstå disse imponerende resultatene. Ved hjelp av avansert beregningskjemi og modellering klarte kollegene deres ved RMIT, ledet av professor Salvy Russo, å identifisere at platina aldri blir solid, helt ned til nivået av individuelle atomer.

Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi avslørte betydningen av hennes RMIT-teams modelleringsarbeid.

“Det vi fant er at de to platinaatomene aldri kom i kontakt med hverandre,” sa hun.

“De ble alltid adskilt av galliumatomer. Det dannes ikke fast platina i dette systemet. Det er alltid atomært spredt i galliumet. Det er veldig kult, og det er det vi fant med modelleringen, som er veldig vanskelig å observere direkte gjennom eksperimenter.”

Overraskende nok er det faktisk galliumet som gjør jobben med å drive den ønskede kjemiske reaksjonen, og virker under påvirkning av platinaatomer i umiddelbar nærhet.

Exciton Science Associate Investigator Dr. Andrew Christofferson fra RMIT forklarte hvor nye disse resultatene er: “Platina er faktisk litt under overflaten og det aktiverer galliumatomene rundt det. Så magien skjer på gallium under påvirkning av platina.

“Men uten platina der, skjer det ikke. Dette er helt annerledes enn noen annen katalyse noen har vist, som jeg er klar over. Og dette er noe som bare kan ha blitt vist gjennom modelleringen.”

---

---

Levert av ARC Center of Excellence in Exciton Science