室温下的液态铂 工业化学可持续革命的“酷”催化剂

2022-06-08 09:38:11  信息编号：K216417  浏览次数：119

澳大利亚的研究人员已经能够使用微量的液态铂在低温下产生廉价和高效的化学反应，为关键行业的大幅减排开辟了一条途径。

当与液态镓结合使用时，所需的铂金量足够小，足以显着扩大地球上这种贵重金属的储量，同时可能为CO2减排，化肥生产中的氨合成和绿色燃料电池的制造以及化学工业中的许多其他可能应用提供更可持续的解决方案。

这些研究结果集中在铂金上，当涉及到这些催化系统的潜力时，这只是液态金属海洋中的一滴水。通过扩展这种方法，可以有超过1，000种可能的元素组合，用于1，000多种不同的反应。

研究结果将于6月6日星期一1600 BST，1100 EST发表在《自然化学》杂志上。

铂作为催化剂（化学反应的触发因素）非常有效，但由于价格昂贵，因此在工业规模上没有广泛使用。大多数涉及铂金的催化系统也具有很高的持续能源成本。

通常，铂的熔点为1，700°C。 当它以固态用于工业用途时，碳基催化系统中需要有大约10%的铂。

在尝试制造用于商业销售的组件和产品时，这不是一个负担得起的比例。

不过，在新南威尔士大学悉尼分校和RMIT大学的科学家找到一种方法，使用微量的铂来产生强大的反应，并且没有昂贵的能源成本之后，这种情况可能会在未来发生变化。

该团队包括ARC激子科学卓越中心和ARC未来低能耗技术卓越中心的成员，将铂与液态镓相结合，液态镓的熔点仅为29.8°C - 这是炎热天气的室温。当与镓结合时，铂变得可溶。换句话说，它会熔化，而不会点燃一个非常强大的工业炉子。

对于这种机理，只有在初始阶段才需要在高温下进行处理，此时铂溶解在镓中以产生催化系统。即便如此，在一两个小时内，它只能达到300°C左右，远不及工业规模化学工程中经常需要的连续高温。

新南威尔士大学的撰稿人Jianbo Tang博士将其比作铁匠使用热锻造制造将持续多年的设备。

“如果你正在使用钢铁，你必须加热它来制造工具，但你有工具，你再也不用加热它了，”他说。

“其他人已经尝试过这种方法，但他们必须一直在非常高的温度下运行他们的催化系统。

为了制造有效的催化剂，研究人员需要使用小于0.0001的铂与镓的比例。最值得注意的是，最终的系统被证明比其固态竞争对手（需要大约10%昂贵的铂金才能工作）的效率高出1000倍以上。

优势并不止于此 - 因为它是一个基于液体的系统，它也更可靠。固态催化系统最终会堵塞并停止工作。这不是问题。就像带有内置喷泉的水景一样，液体机制不断刷新自己，在很长一段时间内自我调节其有效性，并避免了池塘浮渣在地表积聚的催化等效物。

来自新南威尔士大学悉尼分校的主要作者Md. Arifur Rahim博士说：“从2011年开始，科学家们能够将催化剂系统小型化到活性金属的原子水平。为了保持单个原子彼此分离，传统的系统需要固体基质（如石墨烯或金属氧化物）来稳定它们。我想，为什么不使用液体基质来代替，看看会发生什么。

“锚定在固体基质上的催化原子是不动的。通过使用液态镓基质，我们在低温下增加了催化原子的迁移率”。

该机制还具有足够的多功能性，可以进行氧化和还原反应，其中氧气分别提供给物质或从物质中带走。

新南威尔士大学的实验者必须解开一些谜团才能理解这些令人印象深刻的结果。使用先进的计算化学和建模，他们在RMIT的同事，由Salvy Russo教授领导，能够确定铂永远不会变成固体，直到单个原子的水平。

激子科学研究员Nastaran Meftahi博士揭示了她的RMIT团队建模工作的重要性。

“我们发现两个铂原子从未相互接触过，”她说。

“它们总是被镓原子分开。该系统中没有固体铂金形成。它总是原子分散在镓内。这真的很酷，这是我们在建模中发现的，很难通过实验直接观察。

令人惊讶的是，实际上镓在铂原子的影响下，在近距离的作用下，完成了驱动所需化学反应的工作。

RMIT的激子科学副研究员Andrew Christofferson博士解释了这些结果是多么新颖：“铂实际上在表面以下一点，它激活了它周围的镓原子。因此，在铂的影响下，魔术正在镓上发生。

“但是没有铂金，它就不会发生。这与我所知道的任何人都表现出的任何其他催化作用完全不同。而这只能通过建模来证明。