Mamy dla platyny konkurencyjny katalizator

Mamy dla platyny konkurencyjny katalizator

Szybkie wyczerpywanie się niezrównoważonych zasobów naturalnych wywołuje szereg badań związanych z technologiami odnawialnych źródeł energii, takich jak ogniwa paliwowe, elektrolizery czy baterie litowo-powietrzne. Niestety wszystkie te nowoopracowane i obiecujące technologie łączy uzależnienie od metali z grupy platynowców (PGM).

Platyna, pallad, rod, iryd, ruten oraz osm to sześć pierwiastków, w które ziemska litosfera jest najbardziej uboga. Są za to najbardziej stabilnymi i aktywnymi katalizatorami na świecie.

Ziemia nie zawiera wystarczającej ilości pierwiastków z grupy PGM do wsparcia globalnej gospodarki energii odnawialnej. Nie sposób też opracować odpowiednio wydajnego sposobu ich recyklingu. Naukowcy z MIT uważają, jednak, że możliwe jest zastąpienie tych znakomitych katalizatorów z wykorzystaniem bardziej dostępnych materiałów.

Zamiast poszukiwania nowych związków, które mogłyby to zrobić, bądź wyrafinowanych reakcji chemicznych, możliwe stało się to poprzez modyfikację gęstości elektronowej metali przejściowych z IV i V grupy okresowej, tak by zachowywały się jak katalizatory PGM.

Wolfram z sześcioma elektronami walencyjnymi może zostać zmodyfikowany tak, aby naśladować platynę, która ma ich dziesięć. Wszystko to na drodze reakcji z węglem, który ma, z kolei, cztery elektrony walencyjne. Tak otrzymany węglik wolframu (WC) to materiał ceramiczny zdolny do reakcji termo- i elektrokatalitycznych.

Co ważne, wolfram występuje w skorupie ziemskiej o trzy rzędy wielkości częściej niż platyna. Z punktu widzenia gospodarki staje się, więc jej znakomitym konkurentem pod postacią wspomnianego węglika.

Podczas gdy nanocząstki platyny są stosunkowo łatwe do zsyntetyzowania, jak dotąd nie było możliwe wytwarzanie nanocząstek wolframu o średnicy poniżej 5 nanometrów pozbawionych zanieczyszczeń powierzchniowych.

Węglik wolframu wytwarzany jest w bardzo wysokich temperaturach, zazwyczaj powyżej 800 stopni Celsjusza. Te ekstremalne warunki powodują, że nanocząsteczki spiekają się w większe mikrocząstki o niskiej energii powierzchniowej.

Dotychczasowe metody zamiast prowadzić do aglomeracji nanocząstek zwiększały powierzchnię aktywną węgla, pozbawiając węglik właściwości katalitycznych. Aby rozwiązać ten problem, zespół z MIT opracował metodę koloidalnego powlekania rozproszonych nanocząstek tlenków metali przejściowych. W wysokich temperaturach gazy reakcyjne takie jak wodór i metan, są w stanie przenikać przez ich powłoki, pozbawiając je zanieczyszczeń powierzchniowych. To pozwala przekształcić nanocząstki tlenków metali przejściowych w węgliki nanocząstek (TMC) i zapobiega osadzaniu się węgla, eksponując właściwości katalityczne materiałów.

Prace nad tego typu materiałami wciąż trwają, jednak osiągnięcie naukowców już teraz stanowi milowy krok w kierunku poprawy sytuacji na rynku katalizatorów chemicznych.

(rr)