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室温下的液态铂:工业化学可持续革命的“酷”催化剂

已有 2108 次阅读 2022-6-9 21:06 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

室温下的液态铂:工业化学可持续革命的“酷”催化剂

诸平

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Fig. 1 Liquid gallium and three solid beads of platinum, demonstrating the dissolution process of platinum in gallium described in the research paper. Credit: Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney

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Fig. 2 An atomic view of the catalytic system in which silver spheres represent gallium atoms and red spheres represent platinum atoms. The small green spheres are reactants and the blue ones are products – highlighting the catalytic reactions. Credit: Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney

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Fig. 3 Liquid gallium and platinum beads in close up. Credit: Dr. Md. Arifur Rahim, UNSW Sydney 

ARC激子科学卓越中心(ARC Centre of Excellence in Exciton Science202266日提供的消息,室温下的液态铂:工业化学可持续革命的“酷”催化剂(Liquid Platinum at Room Temperature: The “Cool” Catalyst for a Sustainable Revolution in Industrial Chemistry)。

催化剂是可以加速化学反应的物质,这对工业化学非常重要。然而,对于某些反应,铂是一种很好的催化剂,但价格相当昂贵。事实上,它是最有价值的贵金属,比黄金更值钱。

因此,制造成本更低的新催化剂非常有用。这正是研究人员所做的,但将液态镓(gallium, Ga)与铂(platinum, Pt)结合起来。

澳大利亚科学家已经能够利用微量液态铂(liquid platinum)在低温下产生廉价高效的化学反应,为关键行业的大幅减排开辟了道路。

当与液态镓(liquid gallium)结合时,所需的铂量足够小,足以显著扩大地球对这种有价值金属的储量,同时有可能为二氧化碳减排、肥料生产中的氨合成、绿色燃料电池创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。

这些以铂为重点的发现,对于这些催化系统的潜力而言,只是液态金属海洋中的一滴。通过这种方法的扩展,可以有超过1000种不同反应的超过1000多种可能的元素组合。

相关研究结果于202266日已经在《自然化学》(Nature Chemistry)杂志网站发表——Md. Arifur RahimJianbo TangAndrew J. ChristoffersonPriyank V. KumarNastaran MeftahiFranco CenturionZhenbang CaoJunma TangMahroo BaharfarMohannad MayyasFrancois-Marie AlliouxPramod KoshyTorben DaenekeChristopher F. McConvilleRichard B. KanerSalvy P. Russo, Kourosh Kalantar-Zadeh. Low-temperature liquid platinum catalyst. Nature ChemistryPublished: 06 June 2022. DOI: 10.1038/s41557-022-00965-6. https://www.nature.com/articles/s41557-022-00965-6

参与此项研究的有来自澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales简称UNSW)、澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学(RMIT University)、澳大利亚基隆的迪肯大学沃伦池塘校区(Deakin University, Warren Ponds Campus)以及美国加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles简称UCLA))的研究人员。

上述图2是催化系统的原子视图,其中银球代表镓(Ga)原子,红球代表铂(Pt)原子。绿色小球是反应物,蓝色小球是产物,突出了催化反应。

铂作为催化剂(化学反应的触发剂)非常有效,但由于价格昂贵,在工业规模上没有得到广泛应用。大多数涉及铂的催化系统运行的持续能源成本也很高。

通常,铂的熔点为1768 ℃。当它在固态中用于工业用途时,碳基催化系统中需要大约10%的铂。

当试图制造用于商业销售的成分和产品时,这不是一个可承受的比率。不过,在悉尼新南威尔士大学( UNSW Sydney)和皇家墨尔本理工大学(RMIT University)的科学家找到了一种使用微量铂产生强大反应的方法,而且不需要昂贵的能源成本后,这种情况可能会在未来发生改变。该团队包括皇家墨尔本理工大学理学院ARC激子科学卓越中心(ARC Centre of Excellence in Exciton Science, School of Science, RMIT University)和ARC未来低能技术卓越中心(ARC Centre of Excellence in Future Low Energy Technologies)的成员,将铂与液态镓结合在一起,液态镓的熔点仅为29.8 ℃,这是炎热天气下的室温。当与镓结合时,铂变得可溶。换言之,它融化了,而且不需要点燃一个强大的工业炉。液体镓和铂珠特写镜头见图3Fig. 3)所示。

对于这种机制,只有在初始阶段,当铂溶解在镓中以创建催化系统时,才需要在高温下进行处理。即便如此,一到两个小时的温度也只有300 ℃左右,远不及工业规模的化学工程通常需要的持续高温。新南威尔士大学的合作者唐建波(Jianbo Tang音译)博士将其比作一个铁匠使用热锻炉制造设备,可以使用多年。

他说:“如果你在使用钢铁,你必须加热它来制作工具,但你有工具,你永远不必再对其加热。其他人也尝试过这种方法,但他们必须始终在非常高的温度下运行催化系统。”

为了制造一种有效的催化剂,研究人员需要使用小于0.0001的铂镓比。最值得注意的是,由此产生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多倍!

优点不止于此,因为它是一种基于液体的系统,也更可靠。固态催化系统最终会堵塞并停止工作。对于液态催化系统而言根本就不存在这个问题。就像带有内置喷泉的水景一样,液体机制会不断自我更新,在很长一段时间内自动调节其有效性,并避免在表面形成类似于池塘浮渣的催化等价物。

悉尼新南威尔士大学的首席作者亚利弗·拉希姆(Arifur Rahim)博士说:“从2011年起,科学家们能够将催化剂系统缩小到活性金属的原子水平。为了保持单个原子彼此分离,传统系统需要固体基质(如石墨烯或金属氧化物)来稳定它们。我想,为什么不改用液体基质,想看看会发生什么。固定在固体基质上的催化原子是不可移动的。我们通过使用液体镓基质,在低温下增加了催化原子的流动性。”

该机制还具有足够的通用性,可以执行氧化和还原反应,其中氧分别提供给物质或从物质中带走。

新南威尔士大学的实验人员必须解开一些谜团才能理解这些令人印象深刻的结果。利用先进的计算化学和建模技术,他们在皇家墨尔本理工大学(RMIT)的同事们,在萨尔维·鲁索教授(Professor Salvy Russo)的领导下,能够确定铂从未变为固体,一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。她说:“我们发现两个铂原子从未接触过。它们总是被镓原子隔开。在这个系统中没有形成固态铂。铂总是以原子形式分散在镓中。这真的很酷,这就是我们在建模中发现的,很难通过实验直接观察到。”

令人惊讶的是,实际上正是镓在近距离铂原子的影响下,驱动了所需的化学反应。

RMIT的激子科学(Exciton Science)副研究员安德鲁·克里斯托弗森博士(Dr. Andrew Christofferson)解释了这些结果的新颖性:“铂实际上在表面下一点,它激活了周围的镓原子。因此,在铂的影响下,镓上发生了魔法。但如果没有铂,它就不会发生。这与我所知道的任何其他催化作用都完全不同。这是只有通过建模才能显示出来的。”

本研究得到了澳大利亚研究委员会(Australian Research Council简称ARC)桂冠奖学金(Laureate Fellowship grant: FL180100053)和发现早期职业研究者奖(Discovery Early Career Researcher Award: DE210101162)的经济支持。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

Insights into metal–matrix interactions in atomically dispersed catalytic systems are necessary to exploit the true catalytic activity of isolated metal atoms. Distinct from catalytic atoms spatially separated but immobile in a solid matrix, here we demonstrate that a trace amount of platinum naturally dissolved in liquid gallium can drive a range of catalytic reactions with enhanced kinetics at low temperature (318 to 343 K). Molecular simulations provide evidence that the platinum atoms remain in a liquid state in the gallium matrix without atomic segregation and activate the surrounding gallium atoms for catalysis. When used for electrochemical methanol oxidation, the surface platinum atoms in the gallium–platinum system exhibit an activity of \({\sim {2.8} \times {10^7}\,{{{\mathrm{mA}}}}\,{{{{\mathrm{mg}}}}_{{{{\mathrm{Pt}}}}}^{ - 1}}},\) three orders of magnitude higher than existing solid platinum catalysts. Such a liquid catalyst system, with a dynamic interface, sets a foundation for future exploration of high-throughput catalysis.

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