Resisti lì, grafene. Sul serio, la tua presa potrebbe aiutare a creare catalizzatori migliori.

Gli ingegneri della Rice University hanno messo insieme ciò che dicono possa trasformare la catalisi chimica aumentando notevolmente il numero di singoli atomi di metalli di transizione che possono essere collocati in un vettore di carbonio.

La tecnica utilizza punti quantici di grafene (GQD), Particelle di 3-5 nanometri del materiale di carbonio 2D super resistente, come supporti di ancoraggio. Questi facilitano i singoli atomi di metallo di transizione ad alta densità con spazio sufficiente tra gli atomi per evitare l'aggregazione.

Un team internazionale guidato dall'ingegnere chimico e biomolecolare Haotian Wang della Brown School of Engineering di Rice e Yongfeng Hu della Canadian Light Source presso l'Università del Saskatchewan, Canada, dettagliato il lavoro in Chimica della natura.

Hanno dimostrato il valore della loro sintesi generale di alto carico di metalli, catalizzatori a singolo atomo realizzando un catalizzatore di nichel potenziato con GQD che, in un test di reazione, ha mostrato un miglioramento significativo nella riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica rispetto a un catalizzatore con carica di nichel inferiore.

Wang ha affermato che i metalli nobili costosi come il platino e l'iridio sono ampiamente studiati dalla comunità dei catalizzatori a singolo atomo con l'obiettivo di ridurre la massa necessaria per le reazioni catalitiche. Ma i metalli sono difficili da maneggiare e in genere costituiscono una piccola porzione, dal 5 al 10% in peso o meno, del catalizzatore complessivo, compresi i materiali di supporto.

Al contrario, il laboratorio Wang ha ottenuto carichi di metalli di transizione in un catalizzatore a singolo atomo di iridio fino al 40% in peso, o da 3 a 4 singoli atomi di metallo distanziati per ogni cento atomi di substrato di carbonio. (Questo perché l'iridio è molto più pesante del carbonio.)

"Questo lavoro è incentrato su una domanda fondamentale ma molto interessante che ci poniamo sempre:quanti singoli atomi in più possiamo caricare su un supporto di carbonio e non finire con l'aggregazione?" ha detto Wang, il cui laboratorio si concentra sulla catalisi energeticamente efficiente di sostanze chimiche preziose.

"Quando riduci le dimensioni dei materiali sfusi in nanomateriali, la superficie aumenta e l'attività catalitica migliora, " ha detto. "Negli ultimi anni, le persone hanno iniziato a lavorare sulla riduzione dei catalizzatori a singoli atomi per presentare una migliore attività e una migliore selettività. Maggiore è il carico che raggiungi, le migliori prestazioni che potresti ottenere."

"I singoli atomi presentano la superficie massima per la catalisi, e le loro proprietà fisiche ed elettroniche sono molto diverse rispetto ai sistemi bulk o su scala nanometrica, " ha detto. "In questo studio, volevamo spingere il limite di quanti atomi possiamo caricare su un substrato di carbonio".

Ha notato che la sintesi di catalizzatori a singolo atomo deve essere ora un processo "top-down" o "bottom-up". Il primo richiede la creazione di posti vacanti in fogli di carbonio o nanotubi per atomi di metallo, ma poiché i posti vacanti sono spesso troppo grandi o non uniformi, i metalli possono ancora aggregarsi. Il secondo prevede la ricottura di metalli e altri precursori organici per "carbonizzarli", ma i metalli tendono ancora a raggrupparsi.

Il nuovo processo adotta un approccio intermedio sintetizzando GQD funzionalizzati con linker amminici e quindi pirolizzandoli con atomi di metallo. Le ammine reticolano con gli ioni metallici e li mantengono sparsi, massimizzando la loro disponibilità a catalizzare le reazioni.

"Il massimo sembra essere circa il 3-4 percento atomico usando questo approccio, " Wang ha detto. "Le sfide future includono come aumentare ulteriormente la densità dei singoli atomi, garantire un'elevata stabilità per applicazioni reali e aumentare i loro processi di sintesi."