Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN opracowali nowatorski bimetaliczny katalizator o unikalnej, aktywnej powierzchni oraz składzie chemicznym. Będzie mógł znaleźć zastosowanie m.in. w ograniczaniu emisji gazów spalinowych.
Katalizatory to nie tylko materiały wytworzone syntetycznie. Są one wszechobecne w przyrodzie, wspomagając wiele reakcji biochemicznych np. pod postacią enzymów, bez których życie nie byłoby możliwe. Podobnie jest w przypadku zastosowania przemysłowego katalizatorów heterogenicznych. Przyspieszają one liczne procesy, od przetwarzania energii, po neutralizację szkodliwych zanieczyszczeń wydobywających się np. z komory spaleniowej w silniku samochodowym. Najlepiej pod tym względem sprawdzają się metale szlachetne. Gdy np. toksyczne gazy dotkną ich powierzchni, ulegają natychmiastowemu rozkładowi, dając końcowe produkty w postaci czystego CO2 i H2O. Ich sekret tkwi w miejscach aktywnych występujących na powierzchni materiału, które polepszają adsorpcję półproduktów poszczególnych reakcji chemicznych i aktywują stany przejściowe reagentów, które w ostatecznym rozrachunku prowadzą do zrywania wiązań chemicznych i powstania małych cząsteczek. Pod względem wydajności tych procesów, metale szlachetne nie mają sobie równych. Jednak ze względu ich ograniczone zasoby oraz wysokie ceny, poszukiwanie ekonomicznych alternatyw ograniczających ilość zużycia metali szlachetnych stało się jednym z największych wyzwań przemysłu.
Od czego zacząć wytwarzanie stabilnego katalizatora zapewniającego wysoką wydajność określonego procesu? Z pewnością od jego rozmiaru. W przypadku nanomateriałów, oferują one duży stosunek powierzchni do objętości zapewniając duży dostęp do miejsc aktywnych odpowiedzialnych za procesy katalityczne w porównaniu do większych materiałów (tzw. materiałów objętościowych). Zatem niewielki rozmiar nanostrukturalnych katalizatorów czyni je niezwykle wydajnymi.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej pod kierunkiem dr Izabeli S. Pięty opracowali nanostrukturalne katalizatory bimetaliczne unieruchomione na powierzchni półprzewodnika o właściwościach fizyko-chemicznych odpowiednich do ich potencjalnego zastosowania w katalizie termicznej, fotokatalizie oraz elektrokatalizie. Opisane katalizatory zostały już wykorzystane m.in. w ogniwach paliwowych, tj. przy elektroutlenianiu metanolu i etanolu, zrównoważonym zagospodarowaniu odpadami chemicznymi oraz w produkcji paliw, a także redukcji dwutlenku węgla pod kątem zastosowania w paliwach gazowych i ciekłych.
Tajemnica niezwykłej wydajności oraz selektywności nanostrukturalnych katalizatorów bimetalicznych tkwi w ich składzie, gdzie łączy się dwa metale, np. takie jak Pt-Au. Jeden z nich pełni rolę gospodarza, goszczącego na swej powierzchni drugi metal. Choć zdawałoby się, że jest to zwykły stop łączący dwa metale, to w nanoświecie wzajemne położenie poszczególnych atomów ma ogromne znaczenie. Co ciekawe, struktury bimetaliczne wykazują wyższą aktywność katalityczną w porównaniu do ich odpowiedników złożonych tylko z jednego metalu.
Dwa metale można łączyć na różne sposoby, np. pokrywając jeden drugim (ang. core-shell), łącząc dwie połówki różnych metali w całość (zwane nanocząsteczkami Janusa) lub jeszcze inaczej. Niezależnie jednak od ich ułożenia, nanomateriały ze względu na swą wysoką aktywność powierzchni mogą ulegać zmianom ułożenia atomów lub aglomerować, co nie pozostaje obojętne dla ich właściwości katalitycznych. Dlatego też warto unieruchomić je podłożu zapewniającym stabilność oraz zachowanie unikalnych właściwości. Takie właśnie rozwiązanie zaprezentowali naukowcy z IChF PAN.
Zaproponowali oni stabilizację bimetalicznych nanocząstek na podłożu będącym materiałem przewodzącym prąd elektryczny, takim jak węgiel i jego pokrycie polimerem opartym na grafitowym azotku węgla (g-C3N4) złożonym z podjednostek cząsteczek triazyny połączonych w płaskie trójkąty przypominające arkusz grafenu. Powierzchnię tak wytworzonego kompozytu zbadano licznymi technikami, sprawdzając jak nanocząstki zachowują się pod wpływem różnych czynników i czy ich powierzchnia nie ulega zmianom.
Rozwój i optymalizacja bimetalicznych nanokatalizatorów może zapewnić nową klasę materiałów o doskonałych, łatwo modyfikowanych parametrach, stabilności termicznej i o wiele niższych kosztach w porównaniu z obecnie dostępnymi komercyjnymi katalizatorami. Przewidujemy, że dzięki wyjątkowym właściwościom materiału nośnika, tj. grafitowego azotku węgla, katalizatory te mogą znaleźć potencjalne zastosowanie w katalizie termicznej, elektrycznej i fotokatalizie. Jednak zanim to nastąpi, należy zrozumieć, jak zaprojektować wydajny katalizator bimetaliczny i jak zachowuje się on podczas eksploatacji – mówi dr Izabela S. Pięta.
Grafitowy azotek węgla g-C3N4 jest bogaty w heteroatomy, przez co sam wykazuje właściwości katalityczne. Dzięki obecności na jego powierzchni wielu grup funkcyjnych z łatwością można unieruchamiać na nim metale szlachetne np. w postaci nanocząstek bimetalicznych Pt-Au Pt-Pd lub nanocząstki metali przejściowych Cu-Ni. Taki zabieg nie tylko zapewnia ich stabilizację, ale także chroni przed zatruwaniem ich powierzchni przebiegu katalizowanej reakcji chemicznej. Na dodatek g-C3N4 jest półprzewodnikiem stając się materiałem przydatnym w fotowoltaice.
Zainspirowana naturą ludzkość nauczyła się wykorzystywać światło słoneczne jako potężne źródło energii. Efektywna konwersja światła w użyteczną formę energii, np. prąd elektryczny, jest zwykle ograniczona ze względu na nieefektywną separację ładunków podczas oświetlenia materiału. Problem ten może być rozwiązany przez właściwy dobór materiału fotoaktywnego oraz użytej technologii do budowy fotoogniwa. Tutaj połączenie właściwości materiału i technologii mikroprzepływów jest idealnym rozwiązaniem integrującym wiele komponentów i zapewniającym proste rozwiązanie dla ciągłego procesu katalitycznego na granicy faz ciecz-ciecz, ciało stałe-ciecz lub ciało stałe-ciecz – zauważa dr Ewelina Kuna.
Unieruchomienie nanocząstek o właściwościach katalitycznych na powierzchni platformy chroni nanostrukturalny materiał przed utratą unikalnych właściwości oraz umożliwia jego skalowalność na dużych powierzchniach.
Wiadomo, że bimetaliczne układy katalityczne zapewniają wyższą aktywność katalityczną i pozwoliły osiągnąć bardzo wysokie wydajności w wielu procesach. Nadal koncentrujemy się na bardziej złożonych układach, w których skład katalizatora i układ struktury mogą skutkować nie tylko wyższą aktywnością, ale także wyższą selektywnością względem docelowego produktu i lepszą stabilnością katalizatora w kierunku zatrucia, trwałością i żywotnością. Nasze badania obejmują podstawową wiedzę na temat powierzchni katalitycznych i rozwoju mechanizmów reakcji w warunkach nieizolowanych. Ta wiedza z pewnością zaowocuje innowacyjnym projektem katalizatora, zarówno w skali molekularnej (projekt architektury miejsc aktywnych), jak i skali zastosowania (skala reaktora indukcyjnego) poprzez dostosowanie wielu aktywnych miejsc katalitycznych i ich dystrybucji na powierzchniach roboczych – dodaje dr Izabela S. Pięta.
Bimetaliczne nanocząstki metali szlachetnych unieruchomione na grafitowym azotku węgla g-C3N4 zdają się być złotym środkiem w badaniach nad nowymi materiałami wykazującymi właściwości katalityczne. Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenia w zużyciu metali szlachetnych i ochronę materiału przed jego zatruciem w wyniku oddziaływania z półproduktami określonej reakcji chemicznej. Dzięki temu jesteśmy o krok bliżej przemysłowego zastosowania nowatorskich rozwiązań w katalizie redukując koszty wielu procesów chemicznych, a łączenie metali szlachetnych z półprzewodnikami otwiera nowe horyzonty na ich użycie w wielu dziedzinach np. w fotokatalizie.
źródło: IChF PAN