دانشمندان رکورد حیرت انگیزی در نقطه ذوب پلاتین شکستند

دانشمندان دریافته‌اند که چگونه پلاتین را به‌عنوان کاتالیزور مقرون به صرفه‌تر کنند: آن را به مایعی با دمای پایین تبدیل کنید.

قرن هاست که فلزات نجیب شناخته شده است مانند پلاتین، طلا، روتنیوم و پالادیوم کاتالیزورهای عالی برای واکنش های شیمیایی هستند، زیرا آنها به شکستن پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها مؤثرتر از سایر فلزات کمک می‌کند.

اما فلزات نجیب کمیاب و گران هستند، بنابراین تولیدکنندگان صنعتی در مقیاس بزرگ معمولاً جایگزین‌های ارزان‌تر و کم‌موثر مانند آهن را انتخاب می‌کنند. (مثلاً از آهن به عنوان کاتالیزور در تولید انبوه کود استفاده می‌شود.)

نقاط منفی استفاده از کاتالیزورهای با کیفیت پایین‌تر این است که واکنش‌های شیمیایی باید تا دمای بالا گرم شوند، که ردپای کربن را افزایش می‌دهد. بسیاری از فرآیندهای صنعتی

در یک دستاورد بی‌سابقه، محققان UNSW سیدنی و RMIT در استرالیا، پلاتین را در گالیم مایع حل کردند و اتم‌های پلاتین را به‌گونه‌ای تقسیم کردند که پتانسیل کاتالیزوری بیشتری در مقدار کمتری از پلاتین وجود داشت.

پلاتین معمولاً دمای ذوب ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد (۳۰۹۲ فارنهایت) دارد، به این معنی که معمولاً زمانی که به عنوان کاتالیزور استفاده می شود یک جامد است.

با تزریق پلاتین به یک ماتریکس گالیوم، نقطه ذوب گالیوم – یک فلز نرم، نقره ای و غیر سمی است که اساساً در دمای اتاق ۲۹.۸ درجه سانتیگراد ذوب می شود. یکی از ویژگی های مفید گالیم مایع این است که فلزات را حل می کند (مانند آب که نمک و شکر را حل می کند) با جدا کردن اتم های جداگانه در هر مولکول.

این اختراع پتانسیل صرفه جویی در هزینه های انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در صنعت را دارد. محققان می گویند تولید.

مدل اریفور رحیم، نویسنده اصلی و مهندس شیمی، “محدوده ای از واکنش های شیمیایی مهم را می توان در دمای نسبتا پایین با استفاده از کاتالیزور کارآمدتر مانند پلاتین مایع انجام داد.” از UNSW سیدنی به ScienceAlert گفت.

رحیم توضیح می‌دهد که دانشمندان سعی کرده‌اند از سال ۲۰۱۱ کاتالیزورهای فلزات نجیب گران قیمت را از طریق فرآیند کوچک‌سازی مقرون به صرفه‌تر کنند.

وقتی فلزات جامد هستند، فقط از اتم های بیرونی می توان در واکنش ها استفاده کرد، بنابراین ضایعات زیادی وجود دارد. اگر این جامد را به توده‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر تقسیم کنید (به نانوذرات فکر کنید)، واکنش کارآمدتری دریافت خواهید کرد زیرا اتم‌های فلز بیشتری می‌توانند در آن عضله کنند – بسیاری از دست‌ها نور را به کار می‌اندازند.

کارآمدترین و ریزترین سیستم، هر اتم را برای انجام کار یک کاتالیزور در دسترس قرار می‌دهد.

“وقتی سیستم را کوچک می‌کنید، سطح به- را به حداکثر می‌رسانید. رحیم می گوید: نسبت حجم و راندمان استفاده از اتم به طوری که مصرف کلی کاتالیزور شما در طول زمان کمتر می شود و احتمالاً می تواند محصول شما را مقرون به صرفه کند.” زمانی که فلز کاتالیزوری در مقیاس اتمی باشد، زیرا شما نمی توانید فراتر از آن بروید.”

در کاتالیزورهای تک اتمی، پیوندهای نگهدارنده کاتالیزور در کنار هم شکافته می شوند و هر اتم به صورت جداگانه در ماده ای به نام ماتریس لنگر انداخته است.

بنابراین، رحیم و همکارانش گالیوم را به عنوان ماتریس خود آزمایش کردند. پس از حل شدن در گالیم، آنها دریافتند که هر اتم پلاتین از هر اتم پلاتین دیگری جدا شده است، و آن را به یک کاتالیزور مینیاتوری کامل تبدیل می کند.

“اتم های پلاتین وقتی حل می شوند به صورت مکانی در ماتریس گالیم مایع بدون خوشه بندی اتمی پراکنده می شوند. محققان در مقاله خود می نویسند (یعنی عدم وجود پیوند پلاتین-پلاتین) که می تواند واکنش های کاتالیزوری متفاوتی را با فعالیت جرمی قابل توجه ایجاد کند.” مستعد مشکل کک کردن، جایی که کاتالیزورهای جامد با کربن پوشانده می شوند و باید قبل از استفاده مجدد تمیز شوند.

گالیوم به اندازه آهن ارزان نیست. اما می‌توان آن را بارها و بارها برای واکنش‌های مشابه استفاده کرد. این به این دلیل است که مانند پلاتین، گالیم در طی واکنش غیرفعال یا تجزیه نمی‌شود.

فرایند حل شدن پلاتین در گالیم مستلزم افزایش دما تا حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد برای چند ساعت است. اما این یک سرمایه گذاری یکباره در انرژی است که باعث صرفه جویی در افزایش دما بعداً در طول فرآیند تولید شیمیایی می شود، محققان می گویند.

این تیم امیدوار است که روش آنها به محصولات بسیار تمیزتر و ارزان تر، از کود تا سلول های سوختی سبز منجر شود.

این مطالعه انجام شد. منتشر شده در مجله Nature Chemistry .