Postoji visok nivo interesovanja, čak i uzbuđenja, među hemičarima i naučnicima o materijalima za potencijal katalizatora sa jednim atomom (SAC), ali njihov razvoj se oslanja na veoma specijalizovane alate koji su dostupni samo na sinhrotronima kao što je kanadski izvor svetlosti (CLS) na Univerzitet u Saskačevanu (USask).
„Ovo je zaista uzbudljiva istraživačka oblast“, rekao je dr Peng Zhang, profesor hemije i biomedicinskog inženjerstva na Univerzitetu Dalhousie i dugogodišnji korisnik CLS-a.
Katalizatori su nanočestice obložene materijalima – često skupim metalima poput platine, paladijuma i zlata – koji ubrzavaju hemijske reakcije. Značajan nedostatak za konvencionalne katalizatore je to što se samo mali procenat katalitičkog materijala koristi u hemijskoj reakciji, što ih čini neefikasnim i rasipnim, objasnio je Zhang.
Uz rastuću potražnju za čistom i održivom energijom, korišćenje SAC-a u energetskim sistemima može pomoći životnoj sredini i uštedeti novac. SAC-ovi imaju prednosti kao što su efikasnije reakcije, korišćenje manje retkih metala i poboljšanje performansi uređaja kao što su gorivne ćelije i baterije. Oni takođe mogu pomoći u skladištenju obnovljive energije iz izvora kao što su sunce i vetar, čineći je pouzdanijom.
U slučaju automobilskih katalitičkih pretvarača, koji su dizajnirani da pretvore izduvne emisije u manje toksične zagađivače, Zhang je rekao da je manje od polovine atoma platine u katalizatoru dostupno za neophodnu hemijsku reakciju.
Cilj SAC istraživanja je da se kontroliše površinska atomska struktura katalizatora sa pojedinačnim atomima katalitičkog materijala u matrici od jeftinijeg materijala, obezbeđujući da je sav materijal dostupan za reakciju. „Kada dizajnirate katalizator tako da ima strukturu sa jednim atomom, možete značajno poboljšati njihovu aktivnost i performanse u katalitičkoj primeni“, rekao je Zhang.
Izazovi rada na nivou jednog atoma su značajni, priznao je, ali tu dolazi CLS.
„Ako razmišljate o katalizatorima sa jednim atomom, oni su toliko mali da vam je potreban poseban istraživački alat da biste otkrili njihovu strukturu“ da biste razumeli kako su atomi raspoređeni i koji su atomi prisutni. „Čak i sa najmoćnijim elektronskim mikroskopom, verovatno možete videti pojedinačni atom, ali ako koristite sinhrotronsku tehnologiju, možete dobiti rezoluciju 100 puta manju.“
Zhang je počeo da koristi sinhrotronske uređaje i tehnike pre više od 20 godina u svom istraživanju materijala kao doktor nauka. student na Univerzitetu Zapadnog Ontarija. Kada je CLS otvoren 2004. godine, „bio sam tako uzbuđen što sam saznao da imamo naš prvi kanadski sinhrotron“, rekao je on. Od tada, kao i njegov sopstveni dr. supervizor, poslao je svoje studente u CLS i njegov partner sinhrotron—Napredni izvor fotona (Nacionalna laboratorija Argonne, blizu Čikaga) da sprovedu SAC eksperimente na licu mesta.
Iz perspektive osnovnih istraživanja, Džang je rekao da ostaju dve velike prepreke u razvoju katalizatora sa jednim atomom.
„Prvo, zaista želimo da bolje razumemo zašto su neki katalizatori sa jednim atomom tako dobri, tako aktivni, ali ponekad možda neće biti stabilni nakon nekoliko sati, tako da moramo da dizajniramo katalizatore sa jednim atomom da budu aktivni tokom dužeg perioda. (Vremena je mnogo posla sa ovim katalizatorima da bi bili moćniji i upotrebljiviji).
Drugi izazov je povećanje upotrebe SAC-a do komercijalnih razmera.
„Želimo da sarađujemo sa ljudima u hemijskoj industriji kako bismo pronašli primene u stvarnom svetu“, rekao je Zhang. „U laboratoriji imate katalizu veoma malog obima, ali u hemijskoj industriji je hiljadu puta veća. Sposobnost povećanja katalitičke reakcije sa jednim atomom otvara vrata „svim vrstama aplikacija u hemijskoj industriji“.
Iako je budući potencijal uzbudljiv, Zhang je rekao da bi fundamentalno istraživanje SAC-a bilo nemoguće bez „pristupa objektima svetske klase kao što su CLS i APS“.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Izveštaji o hemijskim istraživanjima.
