Tek-Atom Catalysts anlamak
Tek atom katalizörleri (SACs), katı, düzgün, düzgün bir şekilde aktif siteler oluşturmak için bir paradigma değişikliği temsil eder, bu da genellikle metal nanoparçacıkları veya çeşitli boyutlardan atomik bir şekilde kümeler.Bir SAC'de, bireysel metal atomik atom kullanımı ile izole edilir ve elde edilir, SAC'ler mümkün olan maksimum atomik bir şekilde aktif bir şekilde sağlanır - her metal atomik atom kullanımı ile değerli metal atomik bir site değildir.
Tek atomik kediiz kavramı, 2010’ların başlarında, platinin öncü çalışmasıyla, CO oxidasyon için beklenmedik aktivite gösteren demir oksitler üzerinde desteklenen demir oksitler üzerine yapılan araştırmalarla, araştırmacıların geniş bir çeşitli metal destekli çerçeveler keşfederler (MOFs) ve metal-organik çerçeveler (örneğin, CeO2, TiO2, Fe2O3, karbon bazlı malzemeler (grafen, nanotüpler, azot-dolu karbon) ve zeolitler veya metal-organik çerçeveler ile ilgili olarak kritik bir tepkidir.
Tek atom katalizörünün elektronik yapısı, atomların (örneğin, oksijen, azot veya karbon) tarafından işaretlenen, metal atomlar diğer metal atomlara koordine edilir, belirli kimyasal bağlar için yüksek seçici olarak karakterize edilir.
SAC'lerin karakterlendirilmesi ve bireysel atomları tanımlayabilmeli gelişmiş teknikler gerektirir. Yüksek hacimli annular karanlık-alan taramalı elektron mikroskobu (HAADF-STEM) doğrudan tek atomlardan izole metal atomları görselleştirmek ve X-ray absorpsiyon spektroskopu (XAS), XA ve EXAFS dahil olmak üzere metal merkezinin oxidasyon durumu ve yerel koordinasyon ortamı hakkında bilgi sağlar.
Industrial Catiyaliz için Anahtar Avantajlar
SACs'in eşsiz özellikleri, özellikle katalizör maliyeti, seçicilik ve sürdürülebilirlik gerektiren sektörlerde birkaç cazip avantaja dönüşür.
Maximized Atom Verimliliği ve Azaltılı Metal Yükleniyor
SAC'lerin en acil avantajı, son derece atom verimliliğinidir. Geleneksel olarak desteklenen metal katalizörler, nanopartiküller içinde önemli bir miktar metal yüklere sahiptir ve platin gibi pahalı soylu metaller için, bu% 0.1 wt'in yükleyicisi ile elde edilebilir.SACs, bu nedenle yüzeydeki her metal atomu açığa çıkararak bunu başarır.
Hedeflenen Reaksiyonlar için Dışsal Seçenç
SAC'lerdeki iyi tanımlanmış aktif siteler genellikle başkalarını memnun ederken bir fonksiyonel gruba yol açıyor. Örneğin, tek atomik palladium katalizörleri, alkenlerin yarıhidrojenasyonuna yol açabilir. Bu özellikle de değerli, hedefin başkalarını azalttığı bir engeldir. Örneğin, tek-atomlu bir miktar hidrojenle aynı şekilde, tek kullanımlık bir dizirde, diğer küçük hidrojenle aynı şekilde olumlu sonuçlar elde edilir.
Harsh Koşullarının İyileştirilmesi
Stabilite kabul edilebilir bir meydan okumadır (daha sonra bölümdeki hatalar), SACs, metal destekli etkileşim düzgün bir şekilde mühendisi olduğunda olağanüstü bir istikrar sergileyebilir.Tek-atomik reaksiyonların CO oxidasyon sırasındaki güçlü iyonik veya iyonik bağlar sinteringi engelleyebilir, bu da yüksek sıcaklıklarda metal nanopartiküller için birincil kesinti mekanizmasıdır. Örneğin, tek kullanımlık enerji verimliliği ve katalitik aktiviteyi korumak için idealdir.
Aşağı Çevre Ayak izi
Daha az metal kullanarak ve daha yüksek seçiciliğe ulaşırken, SAC'ler yeşil sanayi kimyasına katkıda bulunur. Azaltılmış metal, madencilik ve rafinerinin çevresel etkisini azaltır. Yüksek seçicilik, ürün ve atıkların oluşumuna en aza indirir, sürdürülebilir kimya ve enerji tüketimine karşı birçok SAC sistemi öncelik verir.
Precise Tunability Through Support and Coordination Engineering
Bir SAC'in elektronik ve geometrik özellikleri, metal merkezinin destek yapısını veya koordinasyon ortamını değiştirerek iyi bir şekilde ayarlanabilir.Bu tunability, belirli tepkiler için SAC'leri tasarlarken muazzam bir esnekliği sağlar. Araştırmacılar, koordinasyon numarasını, karbon desteklerini desteklerler (örneğin, karbon destek) metal atomu stabilize edebilir ve elektronik yapısını değiştirir.
Derinlikteki Endüstriyel Uygulamalar
SAC'lerin eşsiz özellikleri, birçok endüstriyel işlem için umut verici adaylar yapar. Birçok uygulama hala araştırma veya pilot aşamadayken, ticarileşme potansiyeli birkaç önemli sektörde önemlidir.
Hidrojen Üretimi ve Enerji Dönüşümü
Hidrojen kimya endüstrisi için önemlidir ve bir enerji taşıyıcısı olarak önem kazanıyor. SACs, su bölünmesi ve hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) ile hidrojen üretimine önemli katkılar sağlamaktadır.Tek atomik platin katalizörleri azot-doped karbon (Pt1/N-C) diğer yarısı, elektrolizlerde diğer enerji kaybının yarısına yaklaşmaktadır.
Su bölmesinin ötesinde, SACs, sentetik yakıtların ve kimyasalların üretimi için değerli bir yemlemedir (örneğin, mol) Tek-atomlu nikel katalizörler, RWGS'yi orta sıcaklıklara dönüştürür, hidrojen ve su tüketimine dönüştürür ve daha az değerli bir metaziğe sahiptir.
Yakıt hücresi teknolojisinde, SACs, oksijen azaltımı reaksiyonları için katode katalizörler olarak araştırılıyor (ORR). ORR, yüksek miktarda platin yüklemeleri sunarken, bazı kompozisyonlar yüksek çözünürlüklere ve uzun vadeli stabilitelere ihtiyaç duyuyor.Bu, polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinin maliyetini önemli ölçüde azaltabilir (PEMFC’ler), ulaşım ve istasyondaki en umut verici metal katalizörleri hızlandırır.
Çevre Yeniden Düzenleme ve Kirlilik Kontrolü
Cuoitlerin ve hidrokarbonların çıkarılmasını kolaylaştırmak için SAC'lerin yeteneği, düşük sıcaklıklarda CO oxidasyon için yüksek aktivite göstermek için, bu da soğuk başlangıç emisyonlarını azaltmak için kritik olan bir durumdur.
Su tedavisinde, SACs, organik kirleticilerin (örneğin, boyalar, farmasötikler, pestisitler) ilerici süreçler (AOPs) ile, tek-atomlu bir organik kirleticiler için değerlendiriliyor, onları zararsız CO2 ve su tasarrufuna dönüştürmek için oksitoniyal (PM) veya hidrojen peroksitleri gibi, toksik maddeler ve hidrojektif kimyasalları ve hidrokyl radikalleri elde etmek için.
Tek atom katalizörleri de atık sudaki toksik ağır metallerin azaltılması için araştırılıyor. Örneğin, karbondaki tek atom palladium, toksik Cr(VI) daha az toksik Cr (III) kullanılarak, SACs'in düşük metal konsantrasyonunda etkili tedaviye ve yakın pH'da, geleneksel azaltım yöntemlerinin altında yatan koşullar altında, daha az toksik Cr(III) kullanılarak.
Kimyasal Synthesis ve İlaç İmalatı
İlaç endüstrisi, yüksek hacimli ürünler talep eder, genellikle olağanüstü sinerjiklik ile elde etmek zor bir kontrol sunar.SACs, bu talep edilen uygulamalar için uygun maliyetli olan diğer kırmızı devreler için de uygundur.C=C tahvilleri, C ⁇ N bağları veya karbon arıtma grupları için önemli bir örnek, farmasötikler ve diğer nanoparçacıkların sentezinde diğer silikonların ve diğer mikrosinasyonlarının seçici hidrojeni içerir.
İyi kimyasal sektöründe, SACs, iyi bir teşhis için alkolün seçici oxidasyonunu, benzoik asite veya ketones'e karşı temel bir dönüşüm ve karbon destekli yüksek aktivite ve tercihleri ile organik sentezde bulunan havanın kullanımı, iyi bir rezdehit için yeşil bir alternatif sunuyor.
Pasif reaksiyonları (Suzuki, Heck, Sonogashira) bu, farmasötik sentezlerde her metalik aktiviteye de dönüştürülür.Tek-atom palladium etkileşimi, bana göre lejyon veya karbon destekleyicisi, bu özellikle de yüksek ciro sayıları ve düşük metal leaching ile reaksiyonları katlayabilir (profilli metalik) ve yüksek çözünürlükte 5 ila 5 tane daha fazla performans için önemli bir şekilde düzenlenir.
Petrokimya ve Bulk Kimyasal Süreçler
petrokimya endüstrisinde, SACs, metan dönüşümü gibi süreçler için araştırılıyor, alkene epoxidasyon ve dehidrojenasyon.Melektaj veya diğer sıvı yakıtların doğrudan dönüşümü hala "holy grail" reaksiyonu ile devam ediyor ve SACs, aktif çevrenin sistematik optimizasyonuna olanak sağlıyor.
Plaktrasyonun (örneğin, komplikeli) tarafından servis edilen büyük bir endüstriyel süreçtir, ancak bu katalizörler, komplikeli (karbon dekontasyonu) nedeniyle etkisiz hale gelir.Tek-atomlar belirli destekteki karma oluşum ve daha uzun süreler için, çünkü izole Pt atomları Cum tabanlı katalizörler Cum-C bağlantıya yol açan reaksiyonları kolaylaştıramaz.
Biyokütmeler dönüşümü alanında, SACs, biyokütleli platform moleküllerinin geliştirilmesi için araştırılıyor. Örneğin, karbondaki tek atomik asitin hidrotermal olarak hidrojene uygun olarak işlenmesi, bu uygulama için iyi bir şekilde uygun bir şekilde kullanılan bir biyo-baztonik platform kimyasalı.
Ticari Uygulamaya Karşı Zorluklar
Son potansiyellerine rağmen, SAC'lerin yaygın endüstriyel kabul elde edilmesinden önce birçok önemli zorluk üstesinden gelmelidir. Bu zorluklar sentez, istikrar, karakterizasyon ve süreç bütünlemeleri.
Synthesis Scalability ve Reproducality
Çoğu SACs şu anda atom tabakasının (ALD) gibi yöntemleri kullanarak bir laboratuvar ölçeğinde hazırlanmaktadır, tam olarak kontrol edilen parametrelerle ıslak bir kesinti veya metal-organik öncüler için piroliz. Bu yöntemlerin çoğu zaman metal dağıtımını üretmek için zayıf bir şekilde kontrol etmek için çalışır, çünkü metal yükleme üzerinde mükemmel bir kontrol sağlar, çünkü düşük maliyetli ürünler için ekonomik olarak uygun olmayan bir şekilde sabitlenebilir ve pahalı bir şekilde dağıtılabilir.
Gerçekçi İşletim Koşulları
Yüksek yüzeyli metal atomların yüksek enerjileri onları termodinamik olarak göçe ve agresyona eğilimlidir, özellikle endüstriyel süreçlerde yaygın yüksek sıcaklıklar ve baskılar altında. güçlü metal destekli etkileşimlerin kinetically stabil SAC'ler, metal (örneğin, CO, S-konferans bileşikleri) azaltılabilir ve yaygınlaştırma sürecinde, metal atomların uzun süre boyunca verimsiz bir şekilde, yüksek çözünürlükte veya nanopartiküller için yüksek çözünürlükte bir şekilde kullanılmasını gerektirir.
Operando Koşullarının Altında Karakterizasyon
Aktif site gerçekten atomik olarak tepki sırasında dağılır olduğunu onaylayın, ancak teknik olarak zorlanır.In ex situ karakterizasyon (daha önce ve tepkiden sonra) faydalı bilgiler sağlar, reaksiyon koşulları altında meydana gelen dinamik değişiklikler yakalayabilir. Aktif türler, veya çevresel bir tek-atom yapısı, ancak bu tür bir bilgi olmadan henüz rutin hale gelir.
Bütünleşme ve Mühendislik
SAC'lerin mevcut endüstriyel reaktörlere ve süreçlere entegre edilmesi dikkatli bir şekilde dikkate alınmalıdır. SACs, çoğu heterojen katalizörler gibi, SAC'ler için (sıcak, eksler veya monolith) oluşturmak için yeterli mekanik güç ve uygun porosity sağlar. Sürekli olarak, bu tür bir akış ve baskı işlemleri bozmak için, en iyi reaksiyon koşulları (sıcak, basınç, hız) SAC'ler için kullanılan önemli ölçüde farklı olarak, geleneksel katalizörler için kullanılan ve potansiyel olarak sağlam bir işlem gerektirir.
Future Yol ve Araştırma Frontiers
Tek atomik kediiz alanı hızla gelişmeye devam ediyor, endüstriyel dağıtım hızlandırabilecek birkaç heyecan verici araştırma yolu ile.
Yüksek performanslı ve Makine Öğrenme
SAC'ler için uygun metal destekli kombinasyonlar için uygun olan geniş kombinasyon uzayı, SAC adaylarının hızlı taramalarına olanak sağlar (örneğin, Inkjet baskı, robotik sıvı işleme) verilen bir reaksiyonla, tanımlı dağıtım (örneğin, Raman, XPS) ve kedialitik testleri, SAC adaylarının yüksek çözünürlükte eğitim gören yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte elde edilen yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte kullanılan veri ve DFT hesaplarının belirlenmesine olanak sağlar.
Çift-Atom Catalyst ve Homojen-Heterogeneous Convergence
Yakındaki iki metal atom arasındaki çift-atom katalizörleri, iki bitişik metal atomun bir dimer aktif site oluşturur ve SAC'lerin doğal bir uzantısını temsil eder. Yakındaki iki metal atom arasındaki elektronik darbe, tek atomlu Fe veya Ni katalizörler ile karşılaştırıldığında, CO2 azaltımı için gelişmiş aktivite oluşturabilir.
spektrumun diğer ucunda, araştırmacılar heterojen katalizörlerin yeniden tanımlanmasını araştırıyorlar, özellikle de tek bir metal merkezine koordine edilen "kuzusuz" SAC'ler, sağlam bir katalizörlere karşı enantiktif tepkiler verebilirler.
Elektrocatiyaliz ve Fotokataliz
SAC'lerin tunable elektronik özellikleri, yarı iletken yüzeyler için onları oldukça çekici hale getirir[Dönetici ve fotokataliz, CO2 veya su için aktif siteler sağlarken, fotokatalizde, SACs, Proleksiyonun atomik hassaslığı, yarı iletken yüzeylerde en iyi koordinasyon sağlar[Dönderilen yüzeylerde)
Gap'i Endüstriye Davet Etmek
Endüstriyel uygulamalara yönelik laboratuvar keşifleri, akademik araştırmacılar, katalizör üreticileri ve son kullanıcılar arasında yakın işbirliği gerektirir. Örneğin, SAC kararlılık ve ekonomik fizibilite (örneğin ABD'de sabit yatak, yarı römork veya membran reaktörleri) bir sonraki kritik adımdır.
SAC'lerin olaylı ticarileştirilmesi muhtemelen yüksek değerli, düşük hacimli piyasalarda, iyi kimyasallar ve farmasötikler gibi yüksek seçicilik ve düşük metal leaching avantajlarının ileri katalizörler için primi haklı çıkaracağı konusunda, SAC'lerin kimyasal endüstrinin geleceği gibi önemli bir rol oynadığını garanti eder.
Özet olarak, tek-atom katalizörleri temel bilim ve uygulamalı teknolojinin kesiştiği noktasında duruyor. Boş olmayan atom kullanımı, olağanüstü seçimlik ve en iyi reaktivite pozisyonlarına sahip olma yeteneği, endüstriyel katalizörler için dönüşüme dayalı bir platform olarak onları.
Daha derin teknik ayrıntılarla ilgilenenler için, son kapsamlı incelemeler, SAC'lerin sentez, karakterizasyonu ve uygulamaları ), enerji dönüşümü ve kimyasal üretimi için. Ek olarak, [[Merck Group'un ticarileştirilmesi üzerine çalışması ).