La figura (a) muestra la estrategia para la preparación de catalizadores de un solo átomo de ultra alta densidad (UHD-SAC). La Figura (b) muestra la imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de campo oscuro anular (ADF) de metal de platino de un solo átomo de ultra alta densidad sobre carbono dopado con nitrógeno. La figura (c) muestra una fotografía de la plataforma de síntesis robótica y la asignación de herramientas a varias operaciones unitarias. La figura (d) muestra el diagrama de flujo del protocolo de síntesis. Crédito:Nature Nanotechnology
Científicos de la Universidad Nacional de Singapur han desarrollado un enfoque general de química húmeda para la síntesis escalable y automatizada de una biblioteca de catalizadores de un solo átomo de ultra alta densidad (UHD-SAC) para 15 metales de transición comunes en portadores químicamente distintos a través de dos Estrategia de recocido térmico de dos pasos.
Los catalizadores juegan un papel importante en una serie de procesos químicos industriales y existe una creciente necesidad de versiones más avanzadas para mejorar su eficacia. Los catalizadores heterogéneos de un solo átomo (SAC) son una nueva clase de catalizadores que consisten en átomos metálicos aislados dispersos individualmente en la superficie de los soportes. Sus propiedades geométricas y electrónicas únicas tienen el potencial de mejorar significativamente la selectividad de las reacciones catalíticas específicas y reducir los costos operativos. Desde que se acuñó el concepto de SAC en 2011, el interés en esta clase de materiales SAC ha aumentado a nivel mundial y se centra en su uso para mejorar la eficiencia de las transformaciones químicas para procesos industriales sostenibles. Un desafío fundamental para implementar esta clase pionera de catalizadores en muchas aplicaciones técnicas es la falta de rutas sintéticas para producirlos con altas densidades superficiales. Lograr esto último es particularmente importante para maximizar la productividad de los catalizadores en procesos industriales a gran escala.
Un equipo de investigación de NUS dirigido por el profesor Jiong Lu del Departamento de Química y el Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales de la Universidad Nacional de Singapur ha abordado este problema desafiante mediante el desarrollo de un método de recocido de dos pasos escalable y versátil para preparar bibliotecas de materiales ultra-altos. SAC de densidad. Este trabajo es una colaboración entre el Prof. Javier Pérez-Ramírez de ETH Zurich, el Prof. Jun Li de la Universidad de Tsinghua y el Dr. Xiaoxu Zhao de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU). El método aprovecha el control de la eliminación de ligandos de los precursores metálicos y sus interacciones asociadas con el portador para saturar la superficie del material con átomos metálicos.
Un mecanismo de anclaje selectivo que maximiza la probabilidad de unir el átomo de metal a todos los sitios de coordinación disponibles en la superficie del material ayuda a retener un alto nivel de cobertura de metal. Los átomos de metal que no están unidos se eliminan luego por lavado. Esto evita la posible sinterización del metal en el paso posterior de recocido a alta temperatura utilizado para eliminar los ligandos residuales. El paso de recocido también permite la estabilización de los contenidos de metal mucho más altos en comparación con las rutas de impregnación convencionales (consulte la Figura (a)). Esta ruta sintética escalable para el desarrollo de UHD-SAC se ha demostrado para 15 metales de transición comunes que utilizan portadores químicamente distintos de diferente naturaleza (incluidos carbono dopado con nitrógeno, nitruro de carbono polimérico, ceria, alúmina y titania) con una carga superior al 20 % en peso. (ver Figura (b)). Además, el enfoque propuesto es fácilmente compatible con un protocolo estandarizado y automatizado (consulte la Figura (c) y la Figura (d)) que demuestra su robustez y proporciona un camino viable para explorar una gran cantidad de bibliotecas de catalizadores monometálicos o multimetálicos. .
El equipo mostró los beneficios potenciales de la alta carga de SAC en distintos sistemas catalíticos, que van desde la catálisis electroquímica, térmica y orgánica, lo que ejemplifica la necesidad de optimizar la densidad del metal superficial para una aplicación catalítica específica. Además, la actividad específica del sitio dependiente de la carga observada en distintos sistemas catalíticos refleja la conocida complejidad en el diseño de catalizadores heterogéneos. Esto ahora se puede abordar con una biblioteca de SAC con cargas de metal ampliamente ajustables.
El profesor Lu dijo:"Nuestro trabajo ha resuelto problemas de larga data en la catálisis de un solo átomo, incluida la densidad de carga y la fabricación escalable de esta clase pionera de UHD-SAC. Esto es crucial para su implementación industrial en transformaciones químicas y energéticas sostenibles". La estructura mesoporosa mejora el rendimiento catalítico de los catalizadores de un solo átomo
