12.05.2022 - University of Minnesota

Energieforscher erfinden Chamäleon-Metall, das sich wie viele andere verhält

Forschung könnte die Effizienz bei der Speicherung erneuerbarer Energie, der Herstellung kohlenstofffreier Brennstoffe und der Produktion nachhaltiger Materialien verbessern

Ein Team von Energieforschern unter der Leitung der University of Minnesota Twin Cities hat ein bahnbrechendes Gerät erfunden, das ein Metall elektronisch so verändert, dass es sich wie ein anderes verhält und als Katalysator zur Beschleunigung chemischer Reaktionen eingesetzt werden kann. Das Gerät, ein so genannter "katalytischer Kondensator", ist der erste Beweis dafür, dass alternative Materialien, die elektronisch verändert werden, um neue Eigenschaften zu erhalten, eine schnellere und effizientere chemische Verarbeitung ermöglichen.

Die Erfindung öffnet die Tür für neue katalytische Technologien unter Verwendung von Nicht-Edelmetall-Katalysatoren für wichtige Anwendungen wie die Speicherung erneuerbarer Energie, die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe und die Herstellung nachhaltiger Materialien.

Die Forschungsergebnisse werden online in JACS Au, der führenden Open-Access-Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlicht, wo sie als Editor's Choice-Publikation ausgewählt wurden. Das Team arbeitet auch mit dem University of Minnesota Office of Technology Commercialization zusammen und hat ein vorläufiges Patent für das Gerät angemeldet.

Die chemische Verarbeitung beruht seit einem Jahrhundert auf der Verwendung bestimmter Materialien, um die Herstellung von Chemikalien und Werkstoffen zu fördern, die wir in unserem täglichen Leben verwenden. Viele dieser Materialien, wie die Edelmetalle Ruthenium, Platin, Rhodium und Palladium, haben einzigartige elektronische Oberflächeneigenschaften. Sie können sowohl als Metalle als auch als Metalloxide fungieren, wodurch sie für die Steuerung chemischer Reaktionen von entscheidender Bedeutung sind.

Der breiten Öffentlichkeit ist dieses Konzept wahrscheinlich am ehesten im Zusammenhang mit der Zunahme von Diebstählen von Katalysatoren an Autos bekannt. Katalysatoren sind wegen des in ihnen enthaltenen Rhodiums und Palladiums wertvoll. Palladium kann sogar teurer sein als Gold.

Diese teuren Materialien sind weltweit oft Mangelware und haben sich zu einem großen Hindernis für den technischen Fortschritt entwickelt.

Um diese Methode zur Abstimmung der katalytischen Eigenschaften alternativer Materialien zu entwickeln, stützten sich die Forscher auf ihr Wissen über das Verhalten von Elektronen an Oberflächen. Das Team testete erfolgreich die Theorie, dass das Hinzufügen und Entfernen von Elektronen zu einem Material das Metalloxid in etwas verwandeln könnte, das die Eigenschaften eines anderen nachahmt.

"Wir haben jedoch einen katalytischen Kondensator erfunden, mit dem wir die Anzahl der Elektronen an der Oberfläche des Katalysators einstellen können", so Paul Dauenhauer, MacArthur Fellow und Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, der das Forschungsteam leitete. "Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Kontrolle der Chemie und dafür, dass sich häufig vorkommende Materialien wie wertvolle Materialien verhalten.

Die katalytische Kondensatorvorrichtung verwendet eine Kombination von Nanometerfilmen, um Elektronen an der Oberfläche des Katalysators zu bewegen und zu stabilisieren. Dieses Design hat den einzigartigen Mechanismus, Metalle und Metalloxide mit Graphen zu kombinieren, um einen schnellen Elektronenfluss mit Oberflächen zu ermöglichen, die für die Chemie abstimmbar sind.

"Mithilfe verschiedener Dünnschichttechnologien haben wir eine nanoskalige Schicht aus Aluminiumoxid, das aus einem kostengünstigen, reichlich vorhandenen Aluminiummetall hergestellt wird, mit Graphen kombiniert, das wir dann so einstellen konnten, dass es die Eigenschaften anderer Materialien annimmt", so Tzia Ming Onn, Postdoktorandin an der University of Minnesota, die die katalytischen Kondensatoren hergestellt und getestet hat. "Die substanzielle Fähigkeit, die katalytischen und elektronischen Eigenschaften des Katalysators einzustellen, hat unsere Erwartungen übertroffen".

Das Design des katalytischen Kondensators ist als Plattform für eine Reihe von Herstellungsanwendungen sehr nützlich. Diese Vielseitigkeit ergibt sich aus der Herstellung im Nanometerbereich, bei der Graphen als eine Komponente der aktiven Oberflächenschicht eingesetzt wird. Die Fähigkeit des Bauelements, Elektronen zu stabilisieren (oder die Abwesenheit von Elektronen, so genannten "Löchern", zu verhindern), lässt sich durch die unterschiedliche Zusammensetzung einer stark isolierenden Innenschicht einstellen. Die aktive Schicht der Vorrichtung kann auch ein beliebiges Katalysatorgrundmaterial mit zusätzlichen Zusätzen enthalten, die dann so eingestellt werden können, dass sie die Eigenschaften teurer Katalysatormaterialien erreichen.

"Wir betrachten den katalytischen Kondensator als eine Plattformtechnologie, die in einer Vielzahl von Fertigungsanwendungen eingesetzt werden kann", so Dan Frisbie, Professor und Leiter des Fachbereichs Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der University of Minnesota und Mitglied des Forschungsteams. "Die grundlegenden Designerkenntnisse und die neuartigen Komponenten können für fast jede denkbare Chemie modifiziert werden.

Das Team plant, seine Forschungen zu katalytischen Kondensatoren fortzusetzen und sie auf Edelmetalle anzuwenden, um einige der wichtigsten Nachhaltigkeits- und Umweltprobleme zu lösen. Mit finanzieller Unterstützung des US-Energieministeriums und der National Science Foundation laufen bereits mehrere parallele Projekte zur Speicherung von erneuerbarem Strom in Form von Ammoniak, zur Herstellung von Schlüsselmolekülen in erneuerbaren Kunststoffen und zur Reinigung gasförmiger Abfallströme.

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