9 مه 2022 -توسط دانشگاه مینه سوتا –
تیمی از محققان انرژی به رهبری دانشگاه مینه‌سوتا دستگاهی اختراع کرده‌اند که به صورت الکترونیکی یک فلز را به گونه‌ای تبدیل می‌کند که مانند فلز دیگر برای استفاده به عنوان کاتالیزور در واکنش‌های شیمیایی رفتار کند. این دستگاه که «کندانسور کاتالیزوری» نامیده می‌شود، اولین وسیله‌ای است که نشان می‌دهد مواد جایگزینی که به‌صورت الکترونیکی برای ارائه خواص جدید اصلاح می‌شوند، می‌توانند پردازش شیمیایی سریع‌تر و کارآمدتری داشته باشند.
این اختراع در را برای فناوری‌های کاتالیزوری جدید با استفاده از کاتالیزورهای فلزات غیر گرانبها برای کاربردهای مهمی مانند ذخیره انرژی تجدیدپذیر، ساخت سوخت‌های تجدیدپذیر و تولید مواد پایدار باز می‌کند.
این تحقیق به صورت آنلاین در JACS Au منتشر شده است. این تیم همچنین با دفتر تجاری سازی فناوری دانشگاه مینه سوتا کار می کند و یک پتنت موقت روی دستگاه دارد.
فرآوری شیمیایی در قرن گذشته بر استفاده از مواد خاص برای گسترش تولید مواد شیمیایی و موادی که در زندگی روزمره خود استفاده می کنیم، متکی بوده است. بسیاری از این مواد مانند فلزات گرانبهایی مانند روتنیم، پلاتین، رودیوم و پالادیوم دارای خواص سطح الکترونیکی منحصر به فردی هستند. آنها می توانند هم به عنوان فلز و هم به عنوان اکسید فلز عمل کنند و آنها را برای کنترل واکنش های شیمیایی حیاتی می کند.
عموم مردم احتمالاً با این مفهوم در رابطه با افزایش سرقت مبدل های کاتالیزوری در اتومبیل ها آشنا هستند. مبدل های کاتالیزوری به دلیل وجود رودیوم و پالادیوم در داخل آنها ارزشمند هستند. در واقع، پالادیوم می تواند گرانتر از طلا باشد.
این مواد گران قیمت اغلب در سرتاسر جهان نادرند و به مانعی بزرگ برای پیشرفت فناوری تبدیل شده اند.
به منظور توسعه این روش برای تنظیم خواص کاتالیزوری مواد جایگزین، محققان بر دانش خود در مورد نحوه رفتار الکترون ها در سطوح تکیه کردند. این تیم با موفقیت نظریه‌ای را آزمایش کردند که افزودن و حذف الکترون‌ها به یک ماده می‌تواند اکسید فلز را به چیزی تبدیل کند که ویژگی‌های ماده دیگر را تقلید کند.
پل داوئنهاور، یکی از همکاران مک آرتور و استاد مهندسی شیمی، می‌گوید: «اتم‌ها واقعاً نمی‌خواهند تعداد الکترون‌های خود را تغییر دهند، اما ما دستگاه خازن کاتالیزوری را اختراع کردیم که به ما امکان می‌دهد تعداد الکترون‌ها را در سطح کاتالیزور تنظیم کنیم.» “این یک فرصت کاملاً جدید را برای کنترل شیمی و ساختن مواد فراوان مانند مواد گرانبها باز می کند.”
دستگاه خازن کاتالیزوری از ترکیبی از لایه های نانومتری برای حرکت و تثبیت الکترون ها در سطح کاتالیزور استفاده می کند. این طرح دارای مکانیسم منحصربفرد ترکیب فلزات و اکسیدهای فلزی با گرافن است تا جریان سریع الکترون را با سطوحی که برای شیمی قابل تنظیم هستند، فعال کند.
تزیا مینگ اون، یکی از محققان، می‌گوید: «با استفاده از فناوری‌های مختلف لایه نازک، ما یک فیلم در مقیاس نانو از آلومینا ساخته شده از فلز آلومینیوم کم‌هزینه و فراوان را با گرافن ترکیب کردیم که سپس توانستیم آن را تنظیم کنیم تا خواص مواد دیگر را به خود بگیرد.. توانایی قابل توجه برای تنظیم خواص کاتالیزوری و الکترونیکی کاتالیزور فراتر از انتظارات ما بود.
طراحی کندانسور کاتالیزوری به عنوان یک دستگاه پلت فرم برای طیف وسیعی از کاربردهای تولیدی کاربرد وسیعی دارد. این تطبیق پذیری از ساخت نانومتری آن ناشی می شود که گرافن را به عنوان یک جزء فعال کننده لایه سطحی فعال ترکیب می کند. قدرت دستگاه برای تثبیت الکترون ها (یا عدم وجود الکترون به نام “حفره”) با ترکیب متفاوتی از یک لایه داخلی قوی عایق قابل تنظیم است. لایه فعال دستگاه همچنین می‌تواند هر ماده کاتالیست پایه را با افزودنی‌های اضافی ترکیب کند، که سپس می‌تواند برای دستیابی به خواص مواد کاتالیزوری گران قیمت تنظیم شود.
دن فریزبی، استاد و رئیس گروه مهندسی شیمی و علوم مواد دانشگاه مینه‌سوتا و عضو تیم تحقیقاتی می‌گوید: «ما کندانسور کاتالیزوری را به‌عنوان یک فناوری پلت‌فرم می‌بینیم که می‌تواند در بسیاری از برنامه‌های تولیدی پیاده‌سازی شود». “بینش های اصلی طراحی و اجزای جدید را می توان تقریباً به هر شیمی که تصور کنیم تغییر داد.”
این تیم قصد دارد به تحقیقات خود در مورد کندانسورهای کاتالیزوری با استفاده از آن در فلزات گرانبها برای برخی از مهمترین مشکلات پایداری و زیست محیطی ادامه دهد. چندین پروژه موازی برای ذخیره برق تجدیدپذیر به عنوان آمونیاک و تولید در حال انجام است.
