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催化剂的精确分层为构建可持续化学品提供了一种更好的方法

2024-10-31 14:13:20 生活来源：

导读为了将二氧化碳等温室气体转化为甲醇等高价值化学品，EPFL化学工程师开发了一种制造催化剂的新方法。催化剂是化学工业中的主要工具，主要用...

为了将二氧化碳等温室气体转化为甲醇等高价值化学品，EPFL化学工程师开发了一种制造催化剂的新方法。催化剂是化学工业中的主要工具，主要用于制造石化产品。

通过这种方法，他们开发出了一种在固体载体上构建金属簇的方法，其精度接近原子级，有可能提高催化活性。研究结果发表在《自然催化》杂志上。

“我们希望每个催化剂在同一个时间内生产出尽可能多的产品，我们发现，当催化剂的制备精度接近原子级时，可以获得活性更高的材料，”EPFL可持续催化处理实验室的教授JeremyLuterbacher说道。“这种技术对于二氧化碳与氢气反应生产可再生甲醇等困难反应尤其有用。”

关于催化剂

尽管它们在工业中无处不在，但我们最常接触的是汽车排气管中的固体催化剂。在那里，催化转化器吸收燃料燃烧产生的废气，并有助于减少排放到空气中的有污染物。

汽车发动机会产生一氧化碳(CO)，这是一种无色无味的有气体，如果吸入浓度过高，可能会导致疾病甚至亡。腔内有一个催化剂，通常由廉价固体上的小铂或钯颗粒制成。这种金属可以结合空气和一氧化碳等污染物，并帮助它们发生反应，将性较小的二氧化碳(CO2)气体排放到空气中。

“高温下无需催化剂也能发生反应。例如，在火焰中燃烧一氧化碳会使一氧化碳和氧气碰撞形成二氧化碳，因为它们的温度足够高，碰撞产生的威力足够大，”Luterbacher解释道。

“在催化剂的作用下，一氧化碳和氧气被结合到金属表面，尽管在较低的温度下发生碰撞，它们仍能发生反应。就像它们在催化剂表面滑冰一样，催化剂表面有助于污染物和反应物之间的转化。”

未来的催化剂需要能够将二氧化碳(地球上最大的可再生碳源，是一种温室气体)转化为甲醇等高价值气体。这一过程发生在一种称为氢化的化学反应中，这是一种困难的反应，因为它可以产生甲醇以外的许多东西。制造一种活性足够高的催化剂，能够快速将二氧化碳转化为甲醇，而不会产生其他产品，这是一项重大挑战。

催化剂的精确分层

为了制造固体催化剂，需要将金属颗粒沉积在具有高表面积的材料(如多孔粉末)的顶部，以最大限度地与反应物接触。

卢特巴赫和他的团队想知道是否可以通过精确控制催化剂成分来控制和加速反应，特别是通过选择适量的材料来调整反应物与催化剂的结合紧密程度。

他们在之前的研究中发现，他们可以在固体支撑物上沉积接近原子精度的金属岛，这种方法称为液相原子层沉积(ALD)，非常适合创建精确的催化剂活性位点以实现反应。

事实上，通过以接近原子级精度沉积这些小岛或几种金属簇，EPFL团队能够以比使用相同成分但没有这种控制的催化剂高出10倍以上的速率氢化二氧化碳。

他们使用氧化镁作为载体，这种材料通常与二氧化碳结合得太紧，无法发生反应，然后他们沉积了小氧化锆岛，这种材料通常与二氧化碳结合得太松。然后，他们添加了铜来结合氢。当以适当的比例放在一起时，他们似乎得到了合适的混合物，可以快速生成大量甲醇，而不会生成任何其他东西。

“氧化镁被广泛认为是一种稳定的二氧化碳捕获材料，但其对二氧化碳的强亲和力限制了其作为催化剂载体的应用。我们通过将其与氧化锆结合起来，将这一限制转化为机遇。

LPDC前博士后研究员、该研究的主要作者SeongminJin表示：“只有通过液相原子层沉积这一强大工具，才能将具有不同特性的MgO和ZrO2结合起来，找到CO2亲和力的最佳平衡。”

“如果我们将催化剂材料的数量与其铜含量进行比较，那么我们的催化剂甚至比商用催化剂更活跃。我们单位活性位点的活性也更优越。值得注意的是，我们每单位重量催化剂材料的活性仍然低于商用同类产品，因为我们需要弄清楚如何在表面上制造更多这样的簇。

“但我们已经证明，即使在原子层面上，也有可能实现非常高的控制，而且这种控制似乎非常重要。这为探索多种金属组合或可能性开辟了道路，”Luterbacher总结道。

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