W IChF PAN zaprezentowano pomysł na tańsze katalizatory

W IChF PAN zaprezentowano pomysł na tańsze katalizatory
@ IChF PAN / fot: Grzegorz Krzyżewski

Katalizatory heterogeniczne znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Najskuteczniejszymi i najpowszechniejszymi katalizatorami są metale szlachetne takie jak platyna, jednak poszukiwane są ich tańsze odpowiedniki. W IChF PAN zaprezentowano nowatorski nanostrukturalny, bimetaliczny kompozyt otwierający nowe horyzonty w dziedzinie katalizy.

Katalizatory to nie tylko materiały wytworzone syntetycznie. Są one wszechobecne w przyrodzie wspomagając wiele reakcji biochemicznych np. pod postacią enzymów, bez których życie nie byłoby możliwe. Podobnie jest w przypadku zastosowania przemysłowego katalizatorów heterogenicznych. Przyspieszają one liczne procesy, od przetwarzania energii, po neutralizację szkodliwych zanieczyszczeń wydobywających się np. z komory spaleniowej w silniku samochodowym – przypomina Instytut Chemii Fizycznej PAN.

Najlepiej pod tym względem sprawdzają się metale szlachetne. Gdy np. toksyczne gazy dotkną ich powierzchni, ulegają natychmiastowemu rozkładowi, dając końcowe produkty w postaci czystego CO2 i H2O. Ich sekret tkwi w miejscach aktywnych występujących na powierzchni materiału, które polepszają adsorpcję półproduktów poszczególnych reakcji chemicznych i aktywują stany przejściowe reagentów, które w ostatecznym rozrachunku prowadzą do zrywania wiązań chemicznych i powstania małych cząsteczek. Pod względem wydajności tych procesów, metale szlachetne nie mają sobie równych. Jednak, ze względu ich ograniczone zasoby oraz wysokie ceny poszukiwanie ekonomicznych alternatyw ograniczających ilość zużycia metali szlachetnych stały się jednym z największych wyzwań przemysłu.

Od czego więc zacząć wytwarzanie stabilnego katalizatora zapewniającego wysoką wydajność określonego procesu?

Z pewnością od jego rozmiaru. W przypadku nanomateriałów, oferują one duży stosunek powierzchni do objętości zapewniając duży dostęp do miejsc aktywnych odpowiedzialnych za procesy katalityczne w porównaniu do większych materiałów (tzw. materiałów objętościowych). Zatem, niewielki rozmiar nanostrukturalnych katalizatorów czyni je niezwykle wydajnymi.

Ostatnio, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej z grupy dr Izabeli S. Pięty przedstawili nanostrukturalne katalizatory bimetaliczne unieruchomione na powierzchni półprzewodnika o właściwościach fizyko-chemicznych odpowiednich do ich potencjalnego zastosowania w katalizie termicznej, fotokatalizie oraz elektrokatalizie. Opisane katalizatory dostały już wykorzystane m.in. w ogniwach paliwowych, tj. elektroutlenianie metanolu i etanolu, zrównoważonym zagospodarowaniu odpadami chemicznymi oraz w produkcji paliw, a także redukcji dwutlenku węgla pod kątem zastosowania w paliwach gazowych i ciekłych.

Tajemnica niezwykłej wydajności oraz selektywności nanostrukturalnych katalizatorów bimetalicznych tkwi w ich składzie, w którym łączy się dwa metale, np. dobrze znane metale szlachetne takie jak Pt-Au. Jeden z nich pełni rolę gospodarza, goszczącego na swej powierzchni drugi metal. Choć zdawałoby się, że jest to zwykły stop łączący dwa metale, to w nanoświecie wzajemne położenie poszczególnych atomów ma ogromne znaczenie. Struktury bimetaliczne wykazują wyższą aktywność katalityczną w porównaniu do ich odpowiedników złożonych tylko z jednego metalu.

Dwa metale można łączyć na różne sposoby np. pokrywając jeden drugim (ang. core-shell), łącząc dwie połówki różnych metali w całość (zwane nanocząsteczkami Janusa) lub na inne sposoby. Niezależnie jednak od ich ułożenia, nanomateriały ze względu na swą wysoką aktywność powierzchni mogą ulegać zmianom ułożenia atomów lub aglomerować, co nie pozostaje obojętne dla ich właściwości katalitycznych. Dlatego też warto unieruchomić je podłożu zapewniającym stabilność oraz zachowanie unikalnych właściwości.

Takie rozwiązanie zaprezentowali naukowcy z IChF PAN. Zaproponowali bowiem stabilizację bimetalicznych nanocząstek na podłożu będącym materiałem przewodzącym prąd elektryczny, takim jak węgiel i jego pokrycie polimerem opartym na grafitowym azotku węgla (g-C3N4) złożonym z podjednostek cząsteczek triazyny, połączonych w płaskie trójkąty przypominające arkusz grafenu. Powierzchnię tak wytworzonego kompozytu zbadano licznymi technikami sprawdzając jak nanocząstki zachowują się pod wpływem różnych czynników i czy ich powierzchnia nie ulega zmianom.

Rozwój i optymalizacja bimetalicznych nanokatalizatorów może zapewnić nową klasę materiałów o doskonałych, łatwo modyfikowanych parametrach, stabilności termicznej i o wiele niższych kosztach w porównaniu z obecnie dostępnymi komercyjnymi katalizatorami. Przewidujemy, że dzięki wyjątkowym właściwościom materiału nośnika, tj. grafitowego azotku węgla, katalizatory te mogą znaleźć potencjalne zastosowanie w katalizie termicznej, elektrycznej i fotokatalizie. Jednak zanim to nastąpi, należy zrozumieć, jak zaprojektować wydajny katalizator bimetaliczny i jak zachowuje się on podczas eksploatacji.

twierdzi Izabela S. Pięta (projekt GoGREEN H2020)

Grafitowy azotek węgla jest bogaty w heteroatomy, przez co sam wykazuje właściwości katalityczne. Dzięki obecności na jego powierzchni wielu grup funkcyjnych z łatwością można unieruchamiać na nim metale szlachetne np. w postaci nanocząstek bimetalicznych Pt-Au Pt-Pd lub nanocząstki metali przejściowych Cu-Ni. Taki zabieg nie tylko zapewnia ich stabilizację, ale także chroni przed zatruwaniem ich powierzchni przebiegu katalizowanej reakcji chemicznej.

Unieruchomienie nanocząstek o właściwościach katalitycznych na powierzchni platformy chroni nanostrukturalny materiał przed utratą unikalnych właściwości oraz umożliwia jego skalowalność na dużych powierzchniach.

Wiadomo, że bimetaliczne układy katalityczne zapewniają wyższą aktywność katalityczną i pozwoliły osiągnąć bardzo wysokie wydajności w wielu procesach. Nadal koncentrujemy się na bardziej złożonych układach, w których skład katalizatora i układ struktury mogą skutkować nie tylko wyższą aktywnością, ale także wyższą selektywnością względem docelowego produktu i lepszą stabilnością katalizatora w kierunku zatrucia, trwałością i żywotnością. Nasze badania obejmują podstawową wiedzę na temat powierzchni katalitycznych i rozwoju mechanizmów reakcji w warunkach nieizolowanych. Ta wiedza z pewnością zaowocuje innowacyjnym projektem katalizatora, zarówno w skali molekularnej (projekt architektury miejsc aktywnych), jak i skali zastosowania (skala reaktora indukcyjnego) poprzez dostosowanie wielu aktywnych miejsc katalitycznych i ich dystrybucji na powierzchniach roboczych.

twierdzi dr Izabela S. Pięta

Bimetaliczne nanocząstki metali szlachetnych unieruchomione na grafitowym azotku węgla g-C3N4 zdają się być złotym środkiem w badaniach nad nowymi materiałami wykazującymi właściwości katalityczne.

Takie rozwiązanie pozwala na ograniczenia zużycia metali szlachetnych i ochronę materiału przed jego zatruciem w wyniku oddziaływania z półproduktami określonej reakcji chemicznej. Dzięki temu jesteśmy o krok bliżej przemysłowego zastosowania nowatorskich rozwiązań w katalizie redukując koszty wielu procesów chemicznych, a łączenie metali szlachetnych z półprzewodnikami otwiera nowe horyzonty na ich użycie w wielu dziedzinach np. w fotokatalizie.

podkreślają specjaliści Instytutu

źródło: naukawpolsce.pap.pl

Włącz oszczędzanie na własną domową miarę

Wiedza ekologiczna

Przydatna wiedza ekologiczna
Linki do haseł, świąt, wydarzeń i kampanii ekologicznych. Encyklopedia i wiedza na tematy związane z ekologią. Prognoza zanieczyszczenia środowiska. Przegląd katastrof i klęsk ekologicznych. Informacje dotyczące instytucji, ministerstw, fundacji, stowarzyszeń, polskich i międzynarodowych organizacji zajmujących się ochroną środowiska i przyrody.

Świadomy konsument odpowiedzialna konsumpcja

Świadomy konsument i odpowiedzialna konsumpcja
Odpowiednia wiedza pomoże dokonywać bardziej świadomych i odpowiedzialnych wyborów podczas codziennych zakupów. Świadome i odpowiedzialne zakupy to nie tylko oszczędność pieniędzy, ale przede wszystkim przyczynienie się do ochrony środowiska naturalnego.

Dom ekologiczny

Dom ekologiczny
Dom ekologiczny to model gospodarstwa o minimalnej uciążliwości dla środowiska, przy jednoczesnym zapewnieniu jego użytkownikom komfortu, wygody i kontaktu z przyrodą. Cechuje go energooszczędność, racjonalne wykorzystanie przestrzeni, niska produkcja odpadów, oszczędne gospodarowanie mediami, wykorzystanie energii odnawialnej.

Ogród ekologiczny

Ogród naturalny – ekologiczny
Podstawą naturalnego ogrodu jest odpowiednie skomponowanie jego elementów, tak żeby stał się częścią większego, naturalnego ekosystemu. Głównym celem ogrodu ekologicznego jest uzyskiwanie zdrowej żywności, nieskażonej szkodliwymi związkami.

Odnawialne źródła energii

Odnawialne źródła energii (OZE)
Odnawialne źródła energii (OZE) to źródła energii, których wykorzystywanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem, ponieważ zasób tych źródeł odnawia się w krótkim czasie. Źródłami takimi są wiatr, promieniowanie słoneczne, opady, pływy morskie, fale morskie i geotermia.

Transport ekologiczny

Transport ekologiczny
Transport jest odpowiedzialny za 1/3 światowej emisji CO2 powstającej w wyniku działalności człowieka. Ogranicz zatem podróżowanie samolotem i samochodem, pamiętaj że pociąg to znacznie czystsza metoda transportu. Ekojazda to mniej trucizn w powietrzu, więcej pieniędzy w kieszeni i bezpieczeństwo jazdy.

Zagrożenia ekologiczne

Zagrożenia ekologiczne dla Ziemi
Naukowcy, ekolodzy i zwykli ludzie od lat próbują zwrócić uwagę, że znajdujemy się na kursie kolizyjnym ze światem natury, że człowiek pcha Ziemię ku zagładzie, a zaniechanie działań na rzecz ochrony środowiska i ekosystemów grozi destabilizacją Ziemi. Ostrzegają, że Ziemia ma ograniczone możliwości podtrzymywania życia i że są one przez ludzkość doprowadzone na skraj przepaści.

Turystyka ekologiczna

Ekoturystyka
Ekoturystyka to rodzaj turystyki nierozerwalnie związany z wypoczynkiem, naturą, oraz odkrywaniem przyrody przy jednoczesnej dbałości o środowisko naturalne. Ekoturysta, to taki turysta, którego odpoczynek nie wpływa negatywnie na otaczające środowisko i nie powoduje jego niszczenia.

Zostaw proszę komentarz

Przewiń do góry
X