Flüssiges Platin bei Raumtemperatur

Der "coole" Katalysator für eine nachhaltige Revolution in der industriellen Chemie

09.06.2022 - Australien

Australischen Forschern ist es gelungen, mit Spurenmengen von flüssigem Platin kostengünstige und hocheffiziente chemische Reaktionen bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, was einen Weg zu drastischen Emissionsreduzierungen in wichtigen Industriezweigen eröffnet.

In Kombination mit flüssigem Gallium sind die benötigten Platinmengen so gering, dass die Reserven dieses wertvollen Metalls auf der Erde erheblich erweitert werden können. Gleichzeitig bieten sie potenziell nachhaltigere Lösungen für die CO₂-Reduktion, die Ammoniaksynthese in der Düngemittelproduktion und die Herstellung umweltfreundlicher Brennstoffzellen sowie viele andere mögliche Anwendungen in der chemischen Industrie.

Diese Erkenntnisse, die sich auf Platin konzentrieren, sind nur ein Tropfen im Ozean der Flüssigmetalle, wenn es um das Potenzial dieser Katalysesysteme geht. Wenn man diese Methode weiter ausbaut, könnte es mehr als 1.000 mögliche Kombinationen von Elementen für über 1.000 verschiedene Reaktionen geben.

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Platin ist ein sehr wirksamer Katalysator (Auslöser chemischer Reaktionen), wird aber wegen seines hohen Preises im industriellen Maßstab kaum eingesetzt. Die meisten Katalysatorsysteme, bei denen Platin zum Einsatz kommt, haben außerdem hohe laufende Energiekosten für den Betrieb.

Normalerweise liegt der Schmelzpunkt von Platin bei 1.700°C. Und wenn es in festem Zustand für industrielle Zwecke verwendet wird, müssen etwa 10% Platin in einem auf Kohlenstoff basierenden Katalysatorsystem vorhanden sein.

Bei der Herstellung von Komponenten und Produkten für den kommerziellen Verkauf ist dieses Verhältnis nicht gerade günstig.

Das könnte sich jedoch in Zukunft ändern, nachdem Wissenschaftler der UNSW Sydney und der RMIT University einen Weg gefunden haben, mit winzigen Mengen Platin leistungsstarke Reaktionen zu erzeugen, und zwar ohne hohe Energiekosten.

Das Team, zu dem auch Mitglieder des ARC Centre of Excellence in Exciton Science und des ARC Centre of Excellence in Future Low Energy Technologies gehören, kombinierte das Platin mit flüssigem Gallium, das einen Schmelzpunkt von nur 29,8 °C hat - das entspricht der Zimmertemperatur an einem heißen Tag. In Verbindung mit Gallium wird das Platin löslich. Mit anderen Worten: Es schmilzt, und zwar ohne einen riesigen Industrieofen anzuheizen.

Für diesen Mechanismus ist eine Verarbeitung bei erhöhter Temperatur nur in der Anfangsphase erforderlich, wenn das Platin in Gallium gelöst wird, um das Katalysatorsystem zu schaffen. Und selbst dann liegt die Temperatur nur bei etwa 300 °C für ein oder zwei Stunden, also bei weitem nicht bei den hohen Dauertemperaturen, die in der industriellen Chemietechnik häufig erforderlich sind.

Der mitwirkende Autor Dr. Jianbo Tang von der UNSW verglich dies mit einem Schmied, der eine heiße Schmiede benutzt, um Geräte herzustellen, die jahrelang halten.

"Wenn man mit Eisen und Stahl arbeitet, muss man es erhitzen, um ein Werkzeug herzustellen, aber man hat das Werkzeug und muss es nie wieder erhitzen", sagte er.

"Andere Leute haben diesen Ansatz versucht, aber sie müssen ihre Katalysesysteme ständig bei sehr hohen Temperaturen laufen lassen."

Um einen wirksamen Katalysator zu schaffen, mussten die Forscher ein Verhältnis von weniger als 0,0001 Platin zu Gallium verwenden. Und das Bemerkenswerteste ist, dass sich das resultierende System als mehr als 1.000 Mal effizienter erwies als sein Festkörperkonkurrent (der etwa 10% teures Platin benötigte, um zu funktionieren).

Doch damit nicht genug der Vorteile - da es sich um ein System auf Flüssigkeitsbasis handelt, ist es auch zuverlässiger. Katalytische Festkörpersysteme verstopfen irgendwann und funktionieren nicht mehr. Das ist hier kein Problem. Wie ein Wasserspiel mit eingebautem Springbrunnen erneuert sich der flüssige Mechanismus ständig selbst, wodurch sich seine Wirksamkeit über einen langen Zeitraum selbst reguliert und das katalytische Äquivalent von Teichschaum, der sich auf der Oberfläche bildet, vermieden wird.

Dr. Md. Arifur Rahim, der Hauptautor von der UNSW Sydney, sagte: "Seit 2011 konnten Wissenschaftler Katalysatorsysteme bis auf die atomare Ebene der aktiven Metalle miniaturisieren. Um die einzelnen Atome voneinander getrennt zu halten, benötigen die herkömmlichen Systeme feste Matrizen (wie Graphen oder Metalloxid), um sie zu stabilisieren. Ich dachte mir, warum nicht stattdessen eine flüssige Matrix verwenden und sehen, was passiert.

"Die katalytischen Atome, die in einer festen Matrix verankert sind, sind unbeweglich. Durch die Verwendung einer flüssigen Galliummatrix haben wir die Mobilität der katalytischen Atome bei niedrigen Temperaturen erhöht".

Der Mechanismus ist außerdem vielseitig genug, um sowohl Oxidations- als auch Reduktionsreaktionen durchzuführen, bei denen einer Substanz Sauerstoff zugeführt bzw. entzogen wird.

Die Experimentatoren der UNSW mussten einige Rätsel lösen, um diese beeindruckenden Ergebnisse zu verstehen. Mithilfe fortschrittlicher chemischer Berechnungen und Modellierung konnten ihre Kollegen vom RMIT unter der Leitung von Professor Salvy Russo feststellen, dass das Platin niemals fest wird, und zwar bis auf die Ebene der einzelnen Atome.

Exciton Science Research Fellow Dr. Nastaran Meftahi erläuterte die Bedeutung der Modellierungsarbeit ihres RMIT-Teams.

"Was wir herausgefunden haben, ist, dass die beiden Platinatome nie miteinander in Kontakt gekommen sind", sagte sie.

"Sie waren immer durch Galliumatome getrennt. Es bildet sich kein festes Platin in diesem System. Es ist immer atomar innerhalb des Galliums verteilt. Das ist wirklich cool, und das haben wir mit der Modellierung herausgefunden, was in Experimenten sehr schwer direkt zu beobachten ist."

Überraschenderweise ist es tatsächlich das Gallium, das unter dem Einfluss von Platinatomen in unmittelbarer Nähe die gewünschte chemische Reaktion auslöst.

Exciton Science Associate Investigator Dr. Andrew Christofferson vom RMIT erklärt, wie neuartig diese Ergebnisse sind: "Das Platin befindet sich ein wenig unterhalb der Oberfläche und aktiviert die Galliumatome in seiner Umgebung. Der Zauber findet also auf dem Gallium unter dem Einfluss des Platins statt.

"Aber ohne das Platin passiert es nicht. Das ist etwas völlig anderes als jede andere Katalyse, die bisher gezeigt wurde, soweit ich weiß. Und das ist etwas, das nur durch die Modellierung gezeigt werden konnte.

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