Группа исследователей из Университета Миннесоты изобрела новаторское устройство, которое электронным способом преобразует один металл в поведение, аналогичное другому, чтобы использовать его в качестве катализатора для ускорения химических реакций. Об этом сообщает Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследование, способное повысить эффективность хранения возобновляемой энергии, производства безуглеродного топлива и производства устойчивых материалов, провела команда ученых и инженеров Университета Миннесоты. Его итоги опубликованы в онлайн-журнале открытого Американского химического общества JACS Au, а команда исследователей оформила предварительный патент на изготовленное ими экспериментальное устройство.
Это устройство, названное «каталитический конденсатор», впервые продемонстрировало, что альтернативные материалы, модифицированные электронным способом для придания им новых свойств, могут обеспечивать более быструю и эффективную поддержку ряда химических реакций и процессов.
Изобретение открывает двери для новых каталитических технологий с использованием катализаторов из недрагоценных металлов во многих важных процессах, таких как хранение возобновляемой энергии, производство возобновляемого топлива и производство устойчивых синтетических материалов.
В прошлом веке технология уже широко опиралась на использование определенных материалов-катализаторов для ускорения и повышения производительности в создании химических веществ и материалов, которые стали широко использоваться в повседневной жизни людей. Многие из этих элементов-катализаторов, такие как рутений, платина, родий и палладий, обладают уникальными электронными поверхностными свойствами. При этом они могут действовать и как металлы, и как оксиды этих металлов, будучи критически важными для осуществления нужных химических реакций.
Широкая публика, вероятно, лучше всего знакома с этой концепцией в связи с ростом краж на автомобилях каталитических нейтрализаторов, которые весьма ценны из-за содержания в них родия и палладия. Палладий действительно заметно дороже золота. Он, как и другие дорогие материалы, в силу своей редкости часто остро дефицитны во всем мире, что является серьезным препятствием для развития технологий.
Поэтому исследователи Университета Миннесоты взялись за разработку методов «заданной» настройки нужных каталитических свойств у альтернативных материалов, для чего изучили то, как электроны ведут себя на их поверхности. Команда успешно проверила свою рабочую гипотезу – о том, что добавление и удаление электронов к одному материалу может превратить оксид одного металла в нечто, имитирующее свойства другого.
«Мы изобрели устройство каталитического конденсатора, которое позволяет нам регулировать количество электронов на поверхности материала-катализатора. Это открывает совершенно новую возможность – заставить достаточно доступные материалы действовать как редкие и ценные элементы», – пояснил Пол Дауэнхауэр, профессор материаловедения и химической инженерии в Университете Миннесоты, который руководил исследовательской группой.
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 нужной химической реакции.
«Используя различные тонкопленочные технологии, мы объединили наноразмерную пленку оксида алюминия, изготовленную из дешевого и широко распространенного металлического сырья, 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.
Конструкция каталитического конденсатора предполагает его широкое применение в качестве базового устройства для ряда производственных приложений. Способность устройства стабилизировать электроны (или отсутствие электронов, называемых «дырками») настраивается в зависимости от состава 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.
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. При финансовой поддержке Министерства энергетики США и Национального научного фонда уже реализуется несколько параллельных проектов по хранению возобновляемой электроэнергии в виде аммиака, производству ключевых молекул возобновляемого пластика и очистке потоков газообразных отходов.
Экспериментальная разработка каталитического конденсатора в Университете Миннесоты является составной частью этой масштабной программы. В исследовании также приняли участие научные специалисты из Массачусетского университета в Амхерсте и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.