Neuer Katalysator hat das Potenzial, die chemische Herstellung zu transformieren
Komplexere und anspruchsvollere chemische Umwandlungen ohne die Notwendigkeit von Übergangsmetallen
Wissenschaftler des Ames-Labors des US-Energieministeriums haben einen metallfreien, kohlenstoffbasierten Katalysator entdeckt, der das Potenzial hat, für viele Industrieunternehmen, einschließlich der Herstellung von Bio- und fossilen Brennstoffen, der Elektrokatalyse und der Brennstoffzellen, wesentlich kostengünstiger und effizienter zu sein.
Ein neu entdeckter metallfreier, kohlenstoffbasierter Katalysator, der das Potenzial hat, für viele Industriezweige, einschließlich der Herstellung von Bio- und fossilen Brennstoffen, Elektrokatalyse und Brennstoffzellen, wesentlich kostengünstiger und effizienter zu sein.
U.S. Department of Energy, Ames Laboratory
In ihrer grundlegendsten Form beinhalten diese Industrieprozesse die Aufspaltung starker chemischer Bindungen, wie Wasserstoff-Wasserstoff-, Kohlenstoff-Sauerstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen. Traditionell wurde dies mit Katalysatoren bewerkstelligt, die Übergangs- oder Edelmetalle verwenden, von denen viele teuer und in geringem natürlichen Vorkommen vorhanden sind - wie Platin und Palladium.
Die Wissenschaftler führten Experimente mit einer Art heterogenem Katalysator durch, den Nitrogen-Assembly Carbons (NACs), bei denen das Design und die Platzierung des Stickstoffs auf der Kohlenstoffoberfläche die katalytische Aktivität des Materials stark beeinflussten. Diese N-Atome auf Kohlenstoffoberflächen wurden bisher als voneinander entfernt angenommen, da die enge Platzierung der N-Atome thermodynamisch instabil ist. Das Team in Ames Lab korrelierte die N-Vorläufer und die Pyrolysetemperatur für die NACs-Synthese mit der N-Verteilung und entdeckte, dass metastabile N-Anordnungen durch Konstruktion hergestellt werden können und unerwartete katalytische Reaktionen liefern. Solche Reaktionen umfassen die Hydrogenolyse von Arylethern, die Dehydrierung von Ethylbenzol und Tetrahydrochinolin sowie die Hydrierung üblicher ungesättigter Funktionalitäten (wie Keton-, Alken-, Alkin- und Nitrogruppen). Darüber hinaus sind die NACs-Katalysatoren robust mit konsistenter Selektivität und Aktivität sowohl für Flüssig- als auch Gasphasenreaktionen unter hoher Temperatur und/oder hohem Druck.
"Wir entdeckten, dass es wirklich darauf ankommt, wie der Stickstoff auf der Oberfläche dieser NACs verteilt ist, und erkannten dabei, dass es sich um eine völlig neue Art von chemischer Aktivität handelt", so Ames Laboratory Associate Scientist Long Qi.
"Die Entdeckung sollte es den Wissenschaftlern ermöglichen, Stickstoffanordnungen zu entwerfen, die in der Lage sind, anspruchsvollere und schwierigere chemische Umwandlungen ohne den Einsatz von Übergangsmetallen durchzuführen", sagte Wenyu Huang, Wissenschaftlerin des Ames-Labors. "Sie gilt im Großen und Ganzen für viele verschiedene Arten chemischer Umwandlungen und Industrien".
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