Mange moderne industrielle processer afhænger af kompleks kemi. Tag for eksempel gødningsproduktion: for at gøre det, skal virksomheder først producere ammoniak, en nøgleingrediens.
Disse kemiske processer har brug for deres egne ingredienser – katalysatorer, der fremskynder reaktioner uden at blive konsumeret eller skabe uønskede biprodukter.
En voksende type katalysator-kendt som et “enkeltatom” eller “atomisk spredt” katalysator-får en masse opmærksomhed for sit potentiale til at gøre industrielle processer renere og mere effektive. Akademiske tidsskrifter er overfyldt med undersøgelser af dem.
Takket være en invitation fra redaktøren af en top videnskabelig tidsskrift giver en University of Virginia kemikalieingeniør mening om alle ændringer og peger vejen for fremtidige gennembrud.
Hvordan det skete
En redaktør på Naturkemi For nylig bemærket en fremtrædende tidsskriftsartikel Peer Review skrevet af Jason Bates, en adjunkt i ingeniørvidenskab ved UVA’s School of Engineering and Applied Science. Redaktøren mailede en invitation: Kunne Bates skrive et perspektiv på, hvordan man undersøger atomisk spredte katalysatorer for at sikre korrekt strenghed og reproducerbarhed?
Publikationsindgivelser i dette nye område af katalyseforskning er i stigning, redaktøren fortalte Bates, men for ofte lover forskerenes påstande mere, end de leverer baseret på deres videnskab.
Bates var enig. Hans artikel, “Fremskridt og faldgruber til design af heterogene katalysatorer med molekylær præcision,” blev udgivet af Naturkemi i februar.
“Jeg håber, det vil guide forskning mod de rigtige retninger, så vi kan opdage nye ting hurtigere,” sagde Bates, “uden at generere vildledende konklusioner.”
Hvad er atomisk spredte katalysatorer?
Katalysatorer er vidt brugt i industrien til at øge effektiviteten, lavere omkostninger og reducere miljøpåvirkningen. De falder typisk i to kategorier.
Homogene katalysatorer, opløst i væske, giver præcise kontrol og konsistente resultater. Men de er dyre og bedst egnede til høj værdi, lille skala produktion, som farmaceutiske stoffer.
Heterogene katalysatorer, der er solide og bruges i store skalaer, strømindustrier som brændstofraffinering og gødningsproduktion. Disse består normalt af små klynger af metalatomer – som platin eller jern – spredt over et understøttelsesmateriale.
Men traditionelle heterogene katalysatorer kan slides under hårde driftsforhold. Over tid forringes deres struktur og effektivitet.
Atomisk spredte katalysatorer sigter mod at kombinere det bedste fra begge verdener: præcisionen af homogene systemer med holdbarheden og skalerbarheden af heterogene. I stedet for metalklynger bruger disse enkelt metalatomer forankret til en fast overflade, der tjener som reaktionsstederne.
“De er attraktive,” sagde Bates, “fordi du kan designe dem med specificiteten af en homogen katalysator, men de fungerer i praktiske miljøer som en heterogen.”
Dette betyder noget, fordi mange industrielle processer allerede har nået en topeffektivitet med nuværende teknologi. Tag ammoniakproduktion igen: mens processen selv udsender lidt co₂, hvilket gør det brint, det kræver, gør det – fordi brint kommer fra fossile brændstoffer.
“Så vi har brug for nye måder at fremstille brint på en mindre kulstofintensiv måde,” sagde Bates. “Atomisk spredte katalysatorer kunne være en del af løsningen.”
At sætte puslespillet sammen
Atomisk spredte katalysatorer giver mulighed for præcist design – men de er stadig komplekse systemer. Test og karakterisering af dem kræver omhyggeligt arbejde, som Bates hævder er for ofte sprunget over eller skyndte sig.
Han sammenligner deres struktur med et puslespil. Der er mange metoder til at finde brikkerne, men de skal samles for at få et komplet billede.
“Mange forskere vil lægge et stykke ned og sige, nu ved jeg, hvordan resten af puslespillet ser ud uden at overveje de alternative hypoteser og teknikker,” sagde han. “Virkeligheden af forskning på dette område er, at du næsten aldrig kan få hvert stykke af puslespillet.”
Bates mener, at feltet er nødt til at bremse og fokusere på gentagne, streng videnskab. Først da hævder han, kan forskere med tillid forstå, hvad de har lavet – og hvordan man gør det bedre.
Hans papir har allerede ramt en akkord. E. Charles Sykes, professor i kemi ved Tufts University, der gennemgik Bates ‘arbejde for Naturkemiaftalt med opfordringen til forsigtighed.
“De utallige rapporter om nye atomisk spredte katalysatorer er ofte ikke godt karakteriseret eller testet. Dette begrænser grundlæggende indsigt,” sagde Sykes. “Jason’s Review påpeger mange af de almindelige faldgruber og bør tjene som en guide til det stadigt voksende samfund.”