Liquid gallium and platinum beads in close up. Credit: Dr Md. Arifur Rahim, UNSW
Исследователи из Австралии смогли использовать ничтожные количества жидкой платины для создания дешевых и высокоэффективных химических реакций при низких температурах, открывая путь к резкому сокращению выбросов в важнейших отраслях промышленности.
В сочетании с жидким галлием требуемое количество платины достаточно мало, чтобы значительно увеличить земные запасы этого ценного металла, в то же время потенциально предлагая более устойчивые решения для сокращения выбросов CO2, синтеза аммиака при производстве удобрений и создания экологически чистых топливных элементов, а также многих других возможных применений в химической промышленности. Эти открытия, в которых основное внимание уделяется платине, являются лишь каплей в океане жидких металлов, когда речь заходит о потенциале этих катализных систем. Расширяя этот метод, можно было бы получить более 1000 возможных комбинаций элементов для более чем 1000 различных реакций.
Результаты будут опубликованы в журнале Nature Chemistry в понедельник, 6 июня.
Платина очень эффективна в качестве катализатора (инициатора химических реакций), но не находит широкого применения в промышленных масштабах из-за ее дороговизны. Большинство катализных систем с использованием платины также имеют высокие текущие затраты энергии на эксплуатацию. Обычно температура плавления платины составляет 1700°C. А когда он используется в твердом состоянии в промышленных целях, в каталитической системе на основе углерода должно быть около 10% платины. Это не приемлемое соотношение при попытке производить компоненты и продукты для коммерческой продажи. Однако в будущем это может измениться после того, как ученые из UNSW Sydney и Университета RMIT нашли способ использовать крошечные количества платины для создания мощных реакций без дорогостоящих затрат энергии.
An atomic view of the catalytic system in which silver spheres represent gallium atom
Команда, в которую входят сотрудники Центра передового опыта ARC в области экситонной науки и Центра передового опыта ARC в области технологий с низким энергопотреблением будущего, объединила платину с жидким галлием, температура плавления которого составляет всего 29,8 ° C — это комнатная температура в жаркий день. При соединении с галлием платина становится растворимой. Другими словами, он плавится, причем без использования чрезвычайно мощной промышленной печи. Для этого механизма обработка при повышенной температуре требуется только на начальной стадии, когда платина растворяется в галлии для создания системы катализа. И даже тогда температура составляет всего около 300 ° C в течение часа или двух, что далеко не соответствует постоянным высоким температурам, часто требуемым в промышленном химическом производстве.
Автор статьи доктор Цзянбо Тан из UNSW сравнил это с кузнецом, использующим горячую кузницу для изготовления оборудования, которое прослужит долгие годы.
«Если вы работаете с железом и сталью, вам нужно нагреть их, чтобы сделать инструмент, но у вас есть инструмент, и вам больше никогда не придется его нагревать», — сказал он.
«Другие люди пробовали этот подход, но им приходится постоянно запускать свои системы катализа при очень высоких температурах».
Чтобы создать эффективный катализатор, исследователям необходимо было использовать соотношение платины к галлию менее 0,0001. И что самое примечательное, получившаяся система оказалась более чем в 1000 раз более эффективной, чем ее твердотельный конкурент (для работы которого требовалась примерно на 10% более дорогая платина). Преимущества на этом не заканчиваются — поскольку это система на жидкой основе, она также более надежна. Твердотельные каталитические системы в конечном итоге засоряются и перестают работать. Здесь это не проблема. Подобно водоему со встроенным фонтаном, жидкостный механизм постоянно обновляется, саморегулируя свою эффективность в течение длительного периода времени и избегая образования каталитического эквивалента прудовой накипи на поверхности. Доктор медицинских наук Арифур Рахим, ведущий автор из UNSW Sydney, сказал: «С 2011 года ученые смогли миниатюризировать каталитические системы вплоть до атомарного уровня активных металлов. Чтобы отдельные атомы были отделены друг от друга, обычные системы требуют твердых матриц (таких как графен или оксид металла) для их стабилизации. Я подумал, почему бы вместо этого не использовать жидкую матрицу и не посмотреть, что получится.
Liquid gallium and three solid beads of platinum, demonstrating the dissolution proce
«Каталитические атомы, закрепленные на твердой матрице, неподвижны. Мы добавили подвижности каталитическим атомам при низкой температуре, используя жидкую галлиевую матрицу».
Механизм также достаточно универсален для проведения как окислительных, так и восстановительных реакций, в которых кислород поступает в вещество или отнимается у него соответственно. Экспериментаторам UNSW пришлось разгадать некоторые загадки, чтобы понять эти впечатляющие результаты. Используя передовые методы вычислительной химии и моделирования, их коллеги из RMIT во главе с профессором Салви Руссо смогли определить, что платина никогда не становится твердой, вплоть до уровня отдельных атомов.
Научный сотрудник Exciton Science доктор Настаран Мефтахи рассказала о важности работы ее команды по моделированию RMIT. «Мы обнаружили, что два атома платины никогда не соприкасались друг с другом», — сказала она.
«Они всегда были разделены атомами галлия. В этой системе не образуется твердой платины. Он всегда атомарно рассеян внутри галлия. Это действительно круто, и это то, что мы обнаружили с помощью моделирования, которое очень трудно наблюдать непосредственно с помощью экспериментов «.
Удивительно, но на самом деле именно галлий запускает желаемую химическую реакцию, действуя под влиянием атомов платины, находящихся в непосредственной близости. Младший научный сотрудник по экситонам доктор Эндрю Кристофферсон из RMIT объяснил, насколько новы эти результаты: «Платина на самом деле находится немного ниже поверхности, и она активирует атомы галлия вокруг нее. Итак, волшебство происходит с галлием под воздействием платины. «Но без платины этого не произойдет. Это полностью отличается от любого другого катализа, который кто-либо показывал, о котором я знаю. И это то, что можно было показать только с помощью моделирования». https://phys.org/news/2022-06