Недавно открытый безметалловый катализатор на углеродной основе, который потенциально может быть гораздо менее дорогим и более эффективным для многих отраслей промышленности, включая производство био- и ископаемого топлива, электрокатализ и топливные элементы. Предоставлено: Министерство энергетики США, Лаборатория Эймса.
Ученые из лаборатории Эймса Министерства энергетики США обнаружили катализатор на углеродной основе, не содержащий металлов, который потенциально может быть гораздо менее дорогим и более эффективным для многих промышленных предприятий, включая производство био- и ископаемого топлива, электрокатализ и топливные элементы. .
По своей сути, эти промышленные процессы включают расщепление прочных химических связей, таких как водородно-водородные, углерод-кислородные и углерод-водородные связи. Традиционно это достигается с помощью катализаторов, в которых используются переходные или драгоценные металлы, многие из которых дорогие и малочисленные, например платина и палладий.
Ученые провели эксперименты с типом гетерогенного катализатора, азотно-сборочным углеродом (NAC), в котором конструкция и размещение азота на углеродной поверхности сильно влияли на каталитическую активность материала. Ранее считалось, что эти атомы азота на углеродных поверхностях удалены друг от друга, поскольку близкое расположение атомов азота является термодинамически нестабильным. Команда из лаборатории Эймса коррелировала предшественники азота и температуру пиролиза для синтеза NAC с распределением азота и обнаружила, что метастабильные сборки азота могут быть созданы специально для проведения неожиданных каталитических реакций. Такие реакции включают гидрогенолиз ариловых эфиров, дегидрирование этилбензола и тетрагидрохинолина и гидрирование обычных ненасыщенных функциональных групп (таких как кетон, алкен, алкин и нитрогруппы). Кроме того, катализаторы NAC устойчивы, обладают постоянной селективностью и активностью как в жидкой, так и в газовой фазе реакций при высокой температуре и / или давлении.
«Мы обнаружили, что действительно имеет значение то, как азот распределяется на поверхности этих NAC, и в процессе поняли, что это был совершенно новый вид химической активности», – сказал младший научный сотрудник лаборатории Эймса Лун Ци.
«Открытие должно позволить ученым разработать азотные сборки, которые смогут выполнять более сложные и сложные химические превращения без необходимости использования переходных металлов», – сказал ученый из лаборатории Эймса Вэнью Хуанг. «Это широко применяется ко многим различным типам химической переработки и отраслям».
###
Ссылка: «Карбокатализатор, похожий на переходный металл» Чжичен Луо, Ренфенг Ни, Ви Т. Нгуен, Абхранил Бисвас, Ранджан К. Бехера, Сюнь Ву, Такеши Кобаяши, Аарон Садоу, Бинь Ван, Вэнью Хуанг и Лонг Ци, 14 августа 2020 г. , Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-020-17909-8
Вычислительное моделирование было выполнено Бин Ван, адъюнкт-профессором кафедры химии, биологии и инженерии материалов в Суперкомпьютерном центре образования и исследований Университета Оклахомы, а также в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), Управлении Министерства энергетики США. Средство научного пользователя.
