Metal-Free Catalyst Discovery może zrewolucjonizować bio i produkcji paliw kopalnych

Naukowcy z Laboratorium Amesa Departamentu Energii USA odkryli katalizator na bazie węgla bez metalu, który może być znacznie tańszy i bardziej wydajny dla wielu problemów przemysłowych, w tym produkcji paliw bio- i kopalnych, elektrokatalizy i ogniw paliwowych.

W ich najbardziej fundamentalnych, procesy te obejmują podział silnych wiązań chemicznych, takich jak wodór wodoru, węgla tlenu i węgla i wodoru obligacji. Tradycyjnie udało się to osiągnąć za pomocą katalizatorów, które wykorzystują przejścia lub metali szlachetnych, wiele z nich drogie i niskie w naturalnej obfitości – jak platyna i pallad.

Naukowcy przeprowadzili eksperymenty z rodzajem heterogenipulalnego katalizatora, węgla zespołowego azotu (NAC), w którym projektowanie i rozmieszczenie azotu na powierzchni węgla znacznie wpłynęły na aktywność katalityczną materiału. Te atomy N na powierzchniach węgla były wcześniej uważane za odległe od siebie, ponieważ ścisłe rozmieszczenie atomów N jest termodynamicznie niestabilne. Zespół z Ames Lab skorelował prekursory N i temperaturę pirolizy do syntezy NAC z rozkładem N i odkrył, że meta-stabilne zespoły N mogą być wykonane zgodnie z projektem i dostarczyć nieoczekiwane reakcje katalityczne. Takie reakcje obejmują hydrogenolysis eterów arylowych, dehydrogenowanie etylobenzene i tetrahydrochinoliny, i uwodornienie wspólnych funkcji nienasyconych (takich jak keton, alkene, alkin, i nitro grupy). Ponadto katalizatory NAC są wytrzymałe i mają stałą selektywność i aktywność zarówno w przypadku reakcji fazy ciekłej, jak i gazowej w wysokiej temperaturze i/lub ciśnieniu.

„Odkryliśmy, że sposób dystrybucji azotu na powierzchni tych NAC naprawdę miał znaczenie, a w procesie zdałem sobie sprawę, że jest to zupełnie nowy rodzaj aktywności chemicznej”, powiedział Ames Laboratory Associate Scientist Long Qi.

„Odkrycie powinno umożliwić naukowcom projektowanie zespołów azotowych, które są w stanie osiągnąć bardziej wyrafinowane i wymagające przemiany chemiczne bez potrzeby stosowania metali przejściowych”, powiedział Wenyu Huang, naukowiec z Laboratorium Amesa. „Zasadniczo odnosi się do wielu różnych rodzajów konwersji chemicznych i przemysłu.”

###

Referencje: „Transition Metal-Like Carbocatalyst” autorstwa Zhicheng Luo, Renfeng Nie, Vy T. Nguyen, Abhranil Biswas, Ranjan K. Behera, Xun Wu, Takeshi Kobayashi, Aaron Sadow, Bin Wang, Wenyu Huang i Long Qi, 14 sierpnia 2020, Nature Communications.