Каталитичната алхимия вижда, че устройството трансформира един метал, така че да се държи като друг | Изследвания


устройство

Нов инструмент, който може да настрои фино свойствата на катализатор, е разработен от американски учени. „Каталитичният кондензатор“ може да накара евтините и изобилни метали да действат като по-скъпи, като просто променя приложеното напрежение. С новото устройство вече е възможно да се заобиколи „ограничението на скоростта“, което управлява всеки катализатор, отваряйки нови възможности в енергийните изследвания и други вълнуващи области.

Пол Дауенхауер от Университета на Минесота обяснява, че каталитичният кондензатор натрупва електрони или дупки в катализаторния филм, като по този начин модифицира неговите електронни и каталитични свойства. „Сега можем да сменяме катализатора толкова бързо или по-бързо, колкото се случва химията“, казва той.

Традиционно катализаторите са метали и метални оксиди, които са статични. „Те остават същите в продължение на месеци и години, докато реакциите се случват на повърхността им“, казва Дауенхауер. „Тези катализатори имат присъщи граници на скорост и селективност към продуктите.“ Той отбелязва, че досега важни реакции като получаване на водород от вода или синтез на амоняк са били ограничени от Принципът на Сабатие, който гласи, че взаимодействията между катализатор и субстрат трябва да бъдат много прецизни, за да е ефективен този катализатор. „Вече имаме материали, които постигат това ограничение на скоростта, а реакциите са твърде бавни, за да бъдат жизнеспособни за технологиите, необходими за справяне с проблеми като изменението на климата.“

Новият каталитичен кондензатор позволява електроните да се добавят и отстраняват от повърхността на материала с висока скорост. „Катализаторите вече могат да бъдат проектирани бързо чрез електронни циферблати, а не чрез скъп, бавен, итеративен синтез, характеризиране и тестване“, посочва Дауенхауер. „Това е изцяло ново измерение в изследванията на катализатора.“

Устройството има четири основни компонента. Започвайки със силиконова пластина, изследователите първо отгледаха тънък, електроизолиращ слой от хафниев оксид върху нея, след това добавиха проводящ графенов лист и накрая отложиха самия катализатор – в този случай филм от алуминиев оксид. „Чрез прилагане на разлика в напрежението между проводимата силициева пластина и слоя графен/катализатор, електроните се натрупват от едната страна, а дупките се натрупват от другата. Когато получите достатъчно електрони или дупки в катализаторния слой, материалът придобива нови каталитични свойства“, обяснява Дауенхауер. „В случая на каталитичния кондензатор от алуминиев триоксид върху графен, около 12% от електрона бяха отстранени от катализатора за всяко място, където може да възникне химия – това е голяма вариация в електронните свойства.“

Инструментът се основава на теория на каталитичния резонанс, който е разработен от Dauenhauer и колеги през 2019 г. и прогнозира, че скорости далеч над границата на Sabatier могат да бъдат постигнати, ако самият катализатор може да се промени с времето. „Тъй като електроните се движат бързо в материали като графен, настоящото устройство може да работи при 1000 херца“, казва Дауенхауер. „Като платформено устройство, кондензаторът може да има активна повърхност от всеки метал и стотици възможни метални оксиди, което отваря вратата за динамична работа с катализатори за хиляди приложения в химическото производство.“ Той споменава, че това вече е показано с изчислителни модели на реакцията на синтез на амоняк.

„Промяната на един метал да действа като друг е от полза, когато се използват евтини, по-малко активни и по-малко селективни катализатори“, казва Кандис Лесли Гилиард-Абдул Азиз в Калифорнийския университет, Ривърсайд, който не е участвал в проучването. „Това често е проблем, когато се опитваме да заменим скъпи катализатори от благородни метали, като платина, иридий и родий, с по-евтини преходни метали като никел, желязо или кобалт.“

Дауенхауер добавя, че каталитичният кондензатор е програмируем. „Можем да превключваме катализатор между две различни състояния чрез прилагане на синусоидална осцилация на напрежението, но са възможни и по-сложни програми. В бъдеще заедно ще създаваме и оптимизираме кондензатори и програми за усъвършенстван контрол на химията.