La figura (a) mostra la strategia per la preparazione di catalizzatori ad atomo singolo ad altissima densità (UHD-SAC). La figura (b) mostra l'immagine anulare di microscopia elettronica a trasmissione (STEM) in campo scuro (ADF) del platino metallico ad atomo singolo ad altissima densità su carbonio drogato con azoto. La figura (c) mostra una fotografia della piattaforma di sintesi robotica e l'assegnazione di strumenti a varie operazioni dell'unità. La figura (d) mostra il foglio di flusso del protocollo di sintesi. Credito:Nature Nanotechnology
Gli scienziati della National University of Singapore hanno sviluppato un approccio generale di chimica umida per la sintesi scalabile e automatizzata di una libreria di catalizzatori ad atomo singolo ad altissima densità (UHD-SAC) per 15 metalli di transizione comuni su vettori chimicamente distinti tramite due -strategia di ricottura termica a gradini.
I catalizzatori svolgono un ruolo importante in numerosi processi chimici industriali e vi è una crescente necessità di versioni più avanzate per migliorarne l'efficacia. I catalizzatori eterogenei a singolo atomo (SAC) sono una nuova classe di catalizzatori costituita da atomi di metallo isolati singolarmente dispersi sulla superficie dei supporti. Le loro proprietà geometriche ed elettroniche uniche hanno il potenziale per migliorare significativamente la selettività delle reazioni catalitiche mirate e ridurre i costi operativi. Da quando il concetto di SAC è stato coniato nel 2011, l'interesse per questa classe di materiali SAC è aumentato a livello globale concentrandosi sul loro utilizzo per migliorare l'efficienza delle trasformazioni chimiche per processi industriali sostenibili. Una sfida fondamentale per l'implementazione di questa classe pionieristica di catalizzatori in molte applicazioni tecniche è la mancanza di percorsi sintetici per produrli con densità superficiali elevate. Il raggiungimento di quest'ultimo è particolarmente importante per massimizzare la produttività dei catalizzatori nei processi industriali su larga scala.
Un team di ricerca NUS guidato dal Prof Jiong Lu del Dipartimento di Chimica e dell'Istituto per i Materiali Funzionali Intelligenti, Università Nazionale di Singapore ha affrontato questo problema impegnativo sviluppando un metodo di ricottura in due fasi scalabile e versatile per preparare librerie di densità SAC. Questo lavoro è una collaborazione che coinvolge il Prof Javier Pérez-Ramírez dell'ETH di Zurigo, il Prof Jun Li dell'Università di Tsinghua e il Dr. Xiaoxu Zhao dell'Università Tecnologica di Nanyang (NTU). Il metodo sfrutta il controllo della rimozione del ligando dai precursori metallici e le loro interazioni associate con il vettore per saturare la superficie del materiale con atomi di metallo.
Un meccanismo di ancoraggio selettivo che massimizza la probabilità di legare l'atomo di metallo a tutti i siti di coordinazione disponibili sulla superficie del materiale aiuta a mantenere un alto livello di copertura metallica. Gli atomi di metallo che non sono attaccati vengono quindi rimossi mediante lavaggio. Ciò impedisce la potenziale sinterizzazione del metallo nella successiva fase di ricottura ad alta temperatura utilizzata per rimuovere i leganti residui. La fase di ricottura consente anche la stabilizzazione del contenuto di metallo molto più elevato rispetto ai percorsi di impregnazione convenzionali (vedere la figura (a)). Questo percorso sintetico scalabile per lo sviluppo di UHD-SAC è stato dimostrato per 15 comuni metalli di transizione che utilizzano vettori chimicamente distinti di diversa natura (tra cui carbonio drogato con azoto, nitruro di carbonio polimerico, ceria, allumina e titania) con un carico superiore al 20% in peso (vedi figura (b)). Inoltre, l'approccio proposto è prontamente suscettibile di un protocollo automatizzato standardizzato (vedi Figura (c) e Figura (d)) che ne dimostra la robustezza e fornisce un percorso praticabile per esplorare un gran numero di librerie di catalizzatori mono o multimetallici .
Il team ha mostrato i potenziali vantaggi del carico elevato di SAC in sistemi catalitici distinti, che vanno dalla catalisi elettrochimica, termica e organica, esemplificando la necessità di ottimizzare la densità del metallo superficiale per una specifica applicazione catalitica. Inoltre, l'attività specifica del sito dipendente dal carico osservata in sistemi catalitici distinti riflette la ben nota complessità nella progettazione di catalizzatori eterogenei. Questo ora può essere affrontato con una libreria di SAC con carichi di metallo ampiamente regolabili.
Il professor Lu ha affermato:"Il nostro lavoro ha risolto problemi di vecchia data nella catalisi a un atomo, inclusa la densità di carico e la fabbricazione scalabile di questa classe pionieristica di UHD-SAC. Questo è fondamentale per la loro implementazione industriale nelle trasformazioni chimiche ed energetiche sostenibili". + Esplora ulteriormente
