Energieforscher erfinden Chamäleonmetall, das wie viele andere Metalle funktioniert

Forscher der University of Minnesota haben einen „katalytischen Kondensator“ entwickelt, der die Tür zu neuen katalytischen Technologien öffnet, die unedle Metallkatalysatoren für wichtige Anwendungen wie die Speicherung erneuerbarer Energie, die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe und die Herstellung nachhaltiger Materialien verwenden. Bildnachweis: Dauenhauer Group, University of Minnesota

Ein Team von Energieforschern unter der Leitung der University of Minnesota Twin Cities hat ein Gerät erfunden, das ein elektronisches Metall so umwandelt, dass es sich wie ein anderes verhält, um es als Katalysator in chemischen Reaktionen zu verwenden. Das als “katalytischer Konzentrator” bezeichnete Gerät ist das erste, das zeigt, dass alternative Materialien, die elektronisch modifiziert werden, um neue Eigenschaften zu verleihen, eine schnellere und effizientere chemische Verarbeitung ermöglichen können.

Die Erfindung öffnet die Tür zu neuen katalytischen Technologien, die unedle Metallkatalysatoren für wichtige Anwendungen wie die Speicherung erneuerbarer Energie, die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe und die Herstellung nachhaltiger Materialien verwenden.

Die Studie wurde online in veröffentlicht JACS Au, wo es als Editor’s Choice-Publikation ausgewählt wurde. Das Team arbeitet auch mit dem Office of Technology Marketing der University of Minnesota zusammen und hat ein vorläufiges Patent auf das Gerät.

Die chemische Verarbeitung des letzten Jahrhunderts stützte sich auf die Verwendung bestimmter Substanzen, um die Herstellung von Chemikalien und Materialien, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, zu verbessern. Viele dieser Materialien, wie die Edelmetalle Ruthenium, Platin, Rhodium und Palladium, haben einzigartige elektronische Oberflächeneigenschaften. Sie können sowohl als Metalle als auch als Metalloxide fungieren, was sie für die Steuerung chemischer Reaktionen entscheidend macht.

Der breiten Öffentlichkeit ist dieses Konzept wohl eher in Bezug auf die leicht steigenden Diebstähle von Katalysatoren an Automobilen bekannt. Katalysatoren werden aufgrund des Vorhandenseins von Rhodium und Palladium in ihnen hoch geschätzt. Tatsächlich kann Palladium teurer sein als Gold.

Dieses teure Material ist weltweit oft knapp und hat sich zu einem großen Hindernis für den technologischen Fortschritt entwickelt.

Um diese Methode zur Abstimmung der katalytischen Eigenschaften alternativer Materialien zu entwickeln, stützten sich die Forscher auf ihr Wissen darüber, wie sich Elektronen auf Oberflächen verhalten. Das Team testete erfolgreich eine Theorie, dass das Hinzufügen und Entfernen von Elektronen zu einer Substanz ein Metalloxid in etwas verwandeln könnte, das die Eigenschaften einer anderen Substanz nachahmt.

sagte Paul Dauenhauer, MacArthur Fellow und Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, der das Forschungsteam leitete. “Dies eröffnet eine ganz neue Möglichkeit, die Chemie zu kontrollieren und reichlich vorhandene Materialien wie wertvolle Materialien wirken zu lassen.”

Eine katalytische Kondensatorvorrichtung verwendet eine Anordnung von Nanometerfilmen, um Elektronen zu bewegen und sie an der Oberfläche des Katalysators zu binden. Dieses Design verfügt über einen einzigartigen Mechanismus zur Kombination von Metallen und Metalloxiden mit Graphen, um einen schnellen Elektronenfluss mit abstimmbaren Oberflächen für die Chemie zu ermöglichen.

„Unter Verwendung verschiedener Dünnschichttechnologien haben wir einen kostengünstigen, reichlich vorhandenen Aluminium-Metall-Aluminiumoxid-Nanofilm mit Graphen kombiniert, der dann in der Lage war, die Eigenschaften anderer Materialien zu optimieren“, sagte Tzia Ming Onn. Postdoktorand an der University of Minnesota, der katalytische Kondensatoren herstellte und testete. “Die großartige Fähigkeit, die katalytischen und elektronischen Eigenschaften des Katalysators abzustimmen, hat unsere Erwartungen übertroffen.”

Das katalytische Kondensatordesign ist als Plattformgerät für eine Reihe von Fertigungsanwendungen von großem Nutzen. Diese Vielseitigkeit ergibt sich aus seiner Nanometer-Fertigung, die Graphen als Enabler für die oberflächenaktive Schicht enthält. Die Fähigkeit der Vorrichtung, Elektronen zu halten (oder das Fehlen von Elektronen, die als “Löcher” bezeichnet werden), ist mit einer variablen Konfiguration einer stark isolierenden Innenschicht abstimmbar. Die aktive Schicht der Vorrichtung kann auch ein beliebiges Basiskatalysatormaterial mit zusätzlichen Additiven enthalten, die dann abgestimmt werden können, um die Eigenschaften teurer Katalysatoren zu erreichen.

„Wir betrachten den katalytischen Kondensator als eine Plattformtechnologie, die in einer Reihe von Fertigungsanwendungen eingesetzt werden kann“, sagte Dan Frisby, Professor und Vorsitzender des Department of Chemical Engineering and Materials Science und Mitglied des Forschungsteams an der University of Minnesota. “Grundlegende Designeinblicke und neue Komponenten können in fast jede Chemie umgewandelt werden, die wir uns vorstellen können.”

Das Team plant, seine Forschung zu katalytischen Kondensatoren fortzusetzen, indem es sie auf Edelmetalle für einige der wichtigsten Nachhaltigkeits- und Umweltprobleme anwendet. Es laufen bereits mehrere parallele Projekte zur Speicherung erneuerbarer Elektrizität wie Ammoniak, zur Herstellung von Schlüsselpartikeln in erneuerbaren Kunststoffen und zur Reinigung von Abgasströmen.


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Mehr Informationen:
Tzia Ming Onn et al, katalytischer Aluminiumoxid-Graphen-Kondensator für programmierbare Festsäuren, JACS Au (2022). DOI: 10.1021 / jacsau.2c00114

Präsentiert von der University of Minnesota

das Zitat: Energieforscher erfinden Chamäleonmetall, das wie viele andere funktioniert (2022, 9. Mai) Abgerufen am 9. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-energy-chameleon-metal.html

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