Se zrodem kvantové mechaniky, mikročipů a nanotechnologií se věda stále více zaměřuje na miniaturu.
Chemiky to vedlo k pokročilé analýze toho, jak materiály působí odlišně v neuvěřitelně malém měřítku a teorii, jak by to mohlo být použito ke zlepšení reakcí v jádru chemického průmyslu.
Nyní vědci z Vídeňské technické univerzity provedli některé z prvních praktických experimentů ukazujících úspěch katalyzátorů o velikosti jednoho atomu.
Zatímco chemici jsou zvyklí předpovídat, jak elektrony fungují z částic, teoretická chemie na atomové úrovni je úplně jiná.
"Pro jednotlivé atomy staré modely už nejsou použitelné," poznamenává profesor Gareth Parkinson, jeden z autorů článku. "Jednotlivé atomy nesdílejí elektrony jako kov, takže elektronová pásma, jejichž energie byla klíčem k vysvětlení katalýzy, v tomto případě prostě neexistují."
"V závislosti na povrchu, na který umístíme atomy kovů, které tvoří a na které atomové vazby, můžeme změnit reaktivitu atomů," vysvětluje Parkinson. "V mnoha případech kovy, které považujeme za dobré katalyzátory, zůstávají dobrými katalyzátory i ve formě jednotlivých atomů."
„Kovy jako zlato nebo platina se často používají jako katalyzátory,“ vysvětluje tisková zpráva univerzity. "Například v katalyzátorech vozidel přeměňují nanočástice platiny jedovatý oxid uhelnatý na netoxický CO2." Protože platina a další katalyticky aktivní kovy jsou drahé a vzácné, nanočástice, kterých se to týká, byly postupem času zmenšovány. “
Pokud však použijete i malé kousky kovu jako katalyzátoru, pouze atomy na povrchu skutečně přijdou do kontaktu s jinými chemikáliemi, aby vytvořily reakci. Všechny atomy uprostřed částice nefungují.
Využití této logiky do extrému vedlo vědce v posledním desetiletí k závěru, že nejlepší atomy budou tvořit jednotlivé látky. Nedávné teoretické a praktické experimenty na Vídeňské technické univerzitě ukazují, že tyto jednoatomové katalyzátory by mohly vést k levnější průmyslové chemické výrobě.
"Jednotlivé atomy již nelze popsat pomocí pravidel získaných z větších kusů kovu, takže je třeba přepracovat pravidla používaná k předpovědi, které kovy budou dobrými katalyzátory," uvádí tisková zpráva. "Jak se ukázalo, katalyzátory s jedním atomem založené na mnohem levnějších materiálech mohou být ještě účinnější."
Protože se v experimentech používají pouze jednotlivé atomy kovového prvku, je třeba je ukotvit levnějším nosným materiálem. Jiné látky, jako je platina, se již nejeví jako užitečné, a to nejen kvůli jejich nákladným cenám, ale také proto, že jiné kovy mají v tomto měřítku lepší výsledky.
"Jednotlivé atomy niklu jsou velkým příslibem oxidace oxidu uhelnatého," říká Parkinson. "Pokud pochopíme atomové mechanismy katalýzy s jedním atomem, máme mnohem více prostoru pro ovlivnění chemických procesů."
Vědci nyní publikovali svá zjištění v časopise Science, kde vysvětlují své teorie a popisují způsob, jakým testovali osm různých kovů na podpoře oxidu železa (Fe3O4), aby změřili jejich vlastnosti pro práci jako katalyzátory. Výsledky analýzy mědi, stříbra, zlata, niklu, palladia, platiny, rhodia a iridia přesně odpovídaly teoretickým modelům, což připravilo půdu pro vývoj jednoatomových katalyzátorů pro použití v průmyslovém měřítku.
„Katalyzátory jsou v mnoha oblastech velmi důležité, zvláště pokud jde o chemické reakce, které hrají hlavní roli v pokusech o rozvoj ekonomiky obnovitelné energie,“ zdůrazňuje Parkinson. "Náš nový přístup ukazuje, že to nemusí být vždy platina."
Jak uzavírá online deník Science Daily: „Rozhodujícím faktorem je místní prostředí atomů - a pokud jej zvolíte správně, můžete vyvíjet lepší katalyzátory a současně šetřit zdroje a náklady.“
Fotografický kredit: Gerd Altmann from Pixabay, Elchinator, Gerd Altmann, & Cheryl Empey from FreeImages
