Zespół naukowców zajmujących się energetyką pod kierownictwem Uniwersytetu Minnesoty w Twin Cities opracował przełomowe urządzenie, które elektronicznie przekształca jeden metal w inny, aby wykorzystać go jako katalizator przyspieszający reakcje chemiczne. Wyprodukowane urządzenie, zwane "kondensatorem katalitycznym", jest pierwszym, które pokazuje, że alternatywne materiały, które są elektronicznie modyfikowane w celu uzyskania nowych właściwości, mogą zapewnić szybsze i bardziej wydajne przetwarzanie chemiczne.
Wynalazek otwiera drzwi dla nowych technologii katalitycznych wykorzystujących katalizatory z metali nieszlachetnych do ważnych zastosowań, takich jak magazynowanie energii odnawialnej, wytwarzanie paliw odnawialnych i produkcja trwałych materiałów.
Badania zostały opublikowane online w JACS Au, wiodącym czasopiśmie otwartego dostępu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, gdzie zostały wybrane jako publikacja Editor's Choice. Zespół współpracuje również z Biurem Komercjalizacji Technologii Uniwersytetu Minnesoty i posiada tymczasowy patent na urządzenie.
W ciągu ostatniego stulecia przetwarzanie chemiczne polegało na stosowaniu określonych materiałów do wytwarzania substancji chemicznych i materiałów, których używamy w życiu codziennym. Wiele z tych materiałów, takich jak metale szlachetne: ruten, platyna, rod i pallad, ma unikalne właściwości elektroniczne powierzchni. Mogą one działać zarówno jako metale, jak i tlenki metali, co sprawia, że mają kluczowe znaczenie dla kontrolowania reakcji chemicznych.
Opinia publiczna jest prawdopodobnie najbardziej zaznajomiona z tym pojęciem w związku z rosnącą liczbą kradzieży katalizatorów samochodowych. Katalizatory są cenne ze względu na znajdujące się w nich rod i pallad. W rzeczywistości pallad może być droższy od złota.
Te drogie materiały są często niewystarczająco dostępne na całym świecie i stały się główną przeszkodą w rozwoju technologii.
Aby opracować metodę dostrajania właściwości katalitycznych materiałów alternatywnych, badacze oparli się na swojej wiedzy na temat zachowania elektronów na powierzchniach. Zespół z powodzeniem przetestował teorię, że dodawanie i usuwanie elektronów z jednego materiału może zmienić tlenek metalu w coś, co naśladuje właściwości innego.
"Atomy naprawdę nie chcą zmieniać liczby swoich elektronów, ale wynaleźliśmy urządzenie do kondensacji katalitycznej, które pozwala nam regulować liczbę elektronów na powierzchni katalizatora" - powiedział Paul Dauenhauer, stypendysta MacArthura i profesor inżynierii chemicznej i materiałoznawstwa na Uniwersytecie Minnesoty, który kierował zespołem badawczym. "Otwiera to zupełnie nowe możliwości kontrolowania chemii i sprawiania, że obficie występujące materiały zachowują się jak materiały szlachetne".
Urządzenie kondensatora katalitycznego wykorzystuje kombinację nanometrowych folii do przemieszczania i stabilizacji elektronów na powierzchni katalizatora. Projekt ten posiada unikalny mechanizm łączenia metali i tlenków metali z grafenem, co umożliwia szybki przepływ elektronów na powierzchniach, które można dostosować do potrzeb chemii.
"Stosując różne technologie cienkowarstwowe, połączyliśmy w skali nano warstwę tlenku glinu wykonanego z taniego, powszechnie dostępnego metalu, jakim jest aluminium, z grafenem, który następnie mogliśmy dostosować do właściwości innych materiałów" - powiedziała Tzia Ming Onn, badaczka podoktorska z Uniwersytetu Minnesoty, która wykonała i przetestowała kondensatory katalityczne. "Znacząca możliwość dostrojenia właściwości katalitycznych i elektronicznych katalizatora przerosła nasze oczekiwania".
Projekt kondensatora katalitycznego ma szerokie zastosowanie jako urządzenie platformowe dla szeregu zastosowań produkcyjnych. Wszechstronność ta wynika z jego nanometrowej produkcji, w której grafen jest składnikiem aktywnej warstwy powierzchniowej. Zdolność urządzenia do stabilizacji elektronów (lub braku elektronów zwanych "dziurami") można regulować, zmieniając skład silnie izolującej warstwy wewnętrznej. Warstwa aktywna urządzenia może również zawierać dowolny podstawowy materiał katalityczny z dodatkami, które można następnie dostroić, aby uzyskać właściwości drogich materiałów katalitycznych.
"Postrzegamy skraplacz katalityczny jako technologię platformową, która może być zastosowana w wielu aplikacjach produkcyjnych" - powiedział Dan Frisbie, profesor i kierownik Wydziału Inżynierii Chemicznej i Nauki o Materiałach Uniwersytetu Minnesoty oraz członek zespołu badawczego. "Główne założenia konstrukcyjne i nowe komponenty można dostosować do niemal każdej chemii, jaką tylko możemy sobie wyobrazić".
Zespół planuje kontynuować swoje badania nad kondensatorami katalitycznymi poprzez zastosowanie ich do metali szlachetnych w odniesieniu do niektórych z najważniejszych problemów związanych ze zrównoważonym rozwojem i ochroną środowiska. Dzięki wsparciu finansowemu Departamentu Energii USA oraz Narodowej Fundacji Nauki, równolegle prowadzone są projekty dotyczące magazynowania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w postaci amoniaku, produkcji kluczowych cząsteczek tworzyw sztucznych ze źródeł odnawialnych oraz oczyszczania strumieni odpadów gazowych.
Eksperymentalne wynalezienie skraplacza katalitycznego jest częścią większej misji Departamentu Energii USA, a niniejsza praca została sfinansowana przez Departament Energii USA, program Basic Energy Sciences Catalysis w ramach grantu #DE-SC0021163. Dodatkowego wsparcia przy wytwarzaniu i charakteryzacji urządzeń kondensatorów katalitycznych udzielił program CBET-Catalysis amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (nagroda #1937641) oraz program MRSEC DMR-2011401. Finansowanie zapewnili także darczyńcy Keith i Amy Steva. Prace z zakresu mikroskopii elektronowej przeprowadzono w Characterization Facility na Uniwersytecie Minnesoty.
W badaniach uczestniczyli także naukowcy z University of Massachusetts Amherst i University of California, Santa Barbara.
University of Minnesota.
itnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
onet.pl
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz
Uwaga: tylko uczestnik tego bloga może przesyłać komentarze.