萊斯大學的工程師已經組裝了他們所說的可能通過大大增加可以放置在碳載體中的過渡金屬單原子的數量來轉變化學催化的東西。

工程師開發更高負載單原子催化劑的策略 以實現更高金屬負載的單原子催化

該技術使用石墨烯量子點 (GQD),即超強二維碳材料的 3-5 納米顆粒,作為錨定支撐。這些有助于高密度過渡金屬單原子在原子之間有足夠的空間以避免結塊。


由萊斯布朗工程學院的化學和生物分子工程師 Haotian Wang 和加拿大薩斯喀徹溫大學加拿大光源的 Yongfeng Hu 領導的國際團隊詳細介紹了自然化學的工作。


他們通過制造 GQD 增強的鎳催化劑證明了他們一般合成高金屬負載單原子催化劑的價值,在反應測試中,與較低的二氧化碳的電化學還原相比,該催化劑顯示出顯著改善。鎳負載催化劑。


王說,鉑和銥等昂貴的貴金屬被單原子催化劑界廣泛研究,目的是減少催化反應所需的質量。但金屬難以處理,通常占整個催化劑(包括載體材料)的一小部分,按重量計 5% 至 10% 或更少。

工程師開發更高負載單原子催化劑的策略 以實現更高金屬負載的單原子催化

相比之下,Wang 實驗室在銥單原子催化劑中實現了高達 40%(重量)的過渡金屬負載,或每 100 個碳底物原子 3 到 4 個間隔開的單金屬原子。(這是因為銥比碳重得多。)


這項工作集中在一個基本但非常有趣的問題上,我們總是問自己:我們可以將多少個單原子加載到碳載體上而不最終聚集?王說,他的實驗室專注于有價值化學品的節能催化。


當你將大塊材料的尺寸縮小為納米材料時,表面積會增加,催化活性也會提高,他說,近年來,人們開始致力于將催化劑縮小為單個原子,以表現出更好的活性和更好的選擇性。達到的負載量越高,性能就越好。


單個原子呈現出最大的催化表面積,與本體或納米級系統相比,它們的物理和電子特性非常不同,他說,在這項研究中,我們想突破我們可以將多少原子加載到碳基底上的極限。


他指出,單原子催化劑的合成現在必須是“自上而下”或“自下而上”的過程。第一個需要在碳片或納米管中為金屬原子制造空位,但由于空位通常太大或不均勻,金屬仍然可以聚集。第二個涉及對金屬和其他有機前體進行退火以“碳化”它們,但金屬仍然傾向于聚集。


新工藝采用中間方法,合成用胺連接體功能化的 GQD,然后用金屬原子熱解它們。胺與金屬離子交聯并使它們分散開來,最大限度地提高它們催化反應的可用性。


使用這種方法,最大值似乎約為 3-4 原子百分比,王說,未來的挑戰包括如何進一步增加單個原子的密度,確保實際應用的高穩定性并擴大合成過程。


免責聲明

我來說幾句

不吐不快,我來說兩句
最新評論

還沒有人評論哦,搶沙發吧~