Unter Chemikern und Materialwissenschaftlern herrscht großes Interesse und sogar Begeisterung für das Potenzial von Einzelatomkatalysatoren (SACs), doch ihre Entwicklung beruht auf sehr speziellen Werkzeugen, die nur an Synchrotrons wie der Canadian Light Source (CLS) verfügbar sind Universität von Saskatchewan (USAsk).
„Das ist ein wirklich spannendes Forschungsgebiet“, sagte Dr. Peng Zhang, Professor für Chemie und Biomedizintechnik an der Dalhousie University und langjähriger CLS-Anwender.
Katalysatoren sind Nanopartikel, die mit Materialien – oft teuren Metallen wie Platin, Palladium und Gold – beschichtet sind, die chemische Reaktionen beschleunigen. Ein erheblicher Nachteil herkömmlicher Katalysatoren besteht darin, dass nur ein kleiner Prozentsatz des katalytischen Materials bei der chemischen Reaktion verwendet wird, was sie ineffizient und verschwenderisch macht, erklärte Zhang.
Angesichts der wachsenden Nachfrage nach sauberer und nachhaltiger Energie kann der Einsatz von SACs in Energiesystemen der Umwelt helfen und Geld sparen. SACs bieten den Vorteil, dass sie Reaktionen effizienter machen, weniger seltene Metalle verwenden und die Leistung von Geräten wie Brennstoffzellen und Batterien verbessern. Sie können auch dazu beitragen, erneuerbare Energie aus Quellen wie Sonne und Wind zu speichern und so zuverlässiger zu machen.
Im Fall von Autokatalysatoren, die Abgase in weniger giftige Schadstoffe umwandeln sollen, stünden laut Zhang weniger als die Hälfte der Platinatome im Katalysator für die notwendige chemische Reaktion zur Verfügung.
Das Ziel der SAC-Forschung besteht darin, die Oberflächenatomstruktur von Katalysatoren mit einzelnen Atomen des katalytischen Materials in einer Matrix aus kostengünstigerem Material zu steuern und so sicherzustellen, dass das gesamte Material für die Reaktion verfügbar ist. „Wenn man den Katalysator so gestaltet, dass er eine Einzelatomstruktur hat, kann man seine Aktivität und Leistung bei der katalytischen Anwendung deutlich verbessern“, sagte Zhang.
Die Herausforderungen, auf der Ebene eines einzelnen Atoms zu arbeiten, seien erheblich, räumte er ein, aber hier kommt das CLS ins Spiel.
Bildnachweis: Canadian Light Source
„Wenn man an Einzelatom-Katalysatoren denkt, sind diese so klein, dass man ein spezielles Forschungswerkzeug braucht, um ihre Struktur aufzudecken“, um zu verstehen, wie die Atome angeordnet sind und welche Atome vorhanden sind. „Selbst mit dem leistungsstärksten Elektronenmikroskop kann man wahrscheinlich ein einzelnes Atom sehen, aber wenn man die Synchrotron-Technologie nutzt, kann man eine 100-mal kleinere Auflösung erreichen.“
Zhang begann vor mehr als 20 Jahren als Doktorand in seiner Materialforschung mit der Nutzung von Synchrotronanlagen und -techniken. Student an der University of Western Ontario. Als das CLS 2004 eröffnet wurde, „war ich so begeistert zu erfahren, dass wir unser erstes kanadisches Synchrotron haben“, sagte er. Seitdem und wie sein eigener Ph.D. Als Betreuer hat er seine Studenten zum CLS und seinem Partner-Synchrotron – der Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, in der Nähe von Chicago) – geschickt, um vor Ort SAC-Experimente durchzuführen.
Aus Sicht der Grundlagenforschung gibt es laut Zhang noch zwei große Hürden bei der Entwicklung von Einzelatomkatalysatoren.
„Zuerst wollen wir wirklich besser verstehen, warum manche Einzelatomkatalysatoren so gut und so aktiv sind, aber manchmal sind sie nach ein paar Stunden nicht mehr stabil, also müssen wir Einzelatomkatalysatoren so entwerfen, dass sie über einen langen Zeitraum aktiv sind.“ (Zeitaufwand). Es gibt noch viel zu tun mit diesen Katalysatoren, um sie leistungsfähiger und nutzbarer zu machen.
Die andere Herausforderung besteht darin, die SAC-Nutzung auf einen kommerziellen Maßstab auszuweiten.
„Wir wollen mit Menschen in der chemischen Industrie zusammenarbeiten, um reale Anwendungen zu finden“, sagte Zhang. „Im Labor gibt es eine Katalyse im sehr kleinen Maßstab, aber in der chemischen Industrie ist sie tausendmal größer.“ Die Möglichkeit, eine katalytische Einzelatomreaktion zu vergrößern, öffnet die Tür zu „allen Arten von Anwendungen in der chemischen Industrie“.
Während das zukünftige Potenzial spannend sei, sagte Zhang, dass grundlegende SAC-Forschung ohne „Zugang zu erstklassigen Einrichtungen wie CLS und APS“ unmöglich sei.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Berichte über chemische Forschung.
Mehr Informationen:
Ziyi Chen et al, Strukturanalyse von Einzelatomkatalysatoren durch Röntgenabsorptionsspektroskopie, Berichte über chemische Forschung (2024). DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00693