Die „Zehn-Elektronen-Regel“ bietet Orientierung für das Design von Einzelatom-Legierungskatalysatoren für gezielte chemische Reaktionen.
Ein Gemeinschaftsteam aus vier Universitäten hat eine sehr einfache Regel zum Entwerfen von Einzelatom-Legierungskatalysatoren für chemische Reaktionen entdeckt. Mithilfe der „Zehn-Elektronen-Regel“ können Wissenschaftler sehr schnell vielversprechende Katalysatoren für ihre Experimente identifizieren. Anstelle umfangreicher Versuch-und-Irrtum-Experimente mit rechenintensiven Computersimulationen kann die Zusammensetzung von Katalysatoren einfach durch einen Blick auf das Periodensystem vorgeschlagen werden.
Einatomige Legierungen sind eine Klasse von Katalysatoren, die aus zwei Metallen bestehen: Einige Atome eines reaktiven Metalls, der sogenannte Dotierstoff, werden in einem inerten Metall (Kupfer, Silber oder Gold) verdünnt. Diese neue Technologie beschleunigt chemische Reaktionen äußerst effizient, herkömmliche Modelle erklären jedoch nicht, wie sie funktionieren.
Das Team, das an der University of Cambridge, dem University College London, der University of Oxford und der Humboldt-Universität zu Berlin zusammenarbeitete, hat seine Forschung in veröffentlicht Naturchemie. Die Wissenschaftler führten Computersimulationen durch, um die zugrunde liegenden Gesetze zu entschlüsseln, die die Funktionsweise von Katalysatoren aus Einzelatomlegierungen steuern.
Die Regel zeigte einen einfachen Zusammenhang: Chemikalien binden sich am stärksten an Katalysatoren aus Einzelatomlegierungen, wenn der Dotierstoff von zehn Elektronen umgeben ist. Das bedeutet, dass Wissenschaftler, die Experimente planen, jetzt einfach anhand der Spalten des Periodensystems herausfinden können, welche Katalysatoren die gewünschten Eigenschaften für ihre Reaktionen haben.
Dr. Romain Réocreux, Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Angelos Michaelides, der diese Forschung leitete, sagt: „Wenn es eine schwierige chemische Reaktion gibt, braucht man einen Katalysator mit optimalen Eigenschaften. Einerseits eine starke Bindung Der Katalysator kann Ihre Reaktion vergiften und nicht mehr beschleunigen; andererseits kann ein Katalysator mit schwacher Bindung einfach nichts bewirken.“
„Jetzt können wir den optimalen Katalysator identifizieren, indem wir einfach eine Spalte im Periodensystem betrachten. Das ist sehr aussagekräftig, da die Regel einfach ist und die Entdeckung neuer Katalysatoren für besonders schwierige chemische Reaktionen beschleunigen kann.“
Prof. Stamatakis, Professor für Computergestützte Anorganische Chemie an der Universität Oxford, der an der Forschung mitgewirkt hat, sagt: „Nach einem Jahrzehnt intensiver Forschung an Einzelatomlegierungen verfügen wir nun über einen eleganten, einfachen, aber leistungsstarken theoretischen Rahmen, der die Bindung erklärt.“ Energietrends und ermöglicht es uns, Vorhersagen über die katalytische Aktivität zu treffen.“
Mithilfe dieser Regel schlug das Team einen vielversprechenden Katalysator für eine elektrochemische Version des Haber-Bosch-Prozesses vor, einer Schlüsselreaktion für die Synthese von Düngemitteln, die seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1909 denselben Katalysator verwendet.
Dr. Julia Schumann, die das Projekt an der Universität Cambridge startete und heute an der Humboldt-Universität zu Berlin arbeitet, erklärt: „Viele Katalysatoren, die heute in der chemischen Industrie eingesetzt werden, wurden im Labor mithilfe von Trial-and-Error-Methoden entdeckt. Mit einem besseren Verständnis.“ Aufgrund der Materialeigenschaften können wir neue Katalysatoren mit verbesserter Energieeffizienz und reduzierten CO2-Emissionen für industrielle Prozesse vorschlagen.“
Mehr Informationen:
Zehn-Elektronen-Zählregel für die Bindung von Adsorbaten an Katalysatoren aus Einzelatomlegierungen, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-023-01424-6