Australische Forscher der University of Adelaide haben ein Protokoll für den 3D-Druck von Einzelatom-Katalysatoren entwickelt. Den Forschern zufolge könnte sich das Verfahren als skalierbar erweisen. Außerdem würden einige komplexe und teure Syntheseprozesse überflüssig werden.

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Forscher der University of Adelaide haben ein Protokoll entwickelt, mit dem sie erfolgreich Einzelatom-Katalysatoren mit 3D-Druck herstellen konnten. Den Forschern zufolge könnte sich das Verfahren als skalierbar erweisen und einige komplexe und teure Syntheseprozesse überflüssig machen. Die Industrie könnte damit von den Vorteilen der Einzelatomkatalyse profitieren. Ihre Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „A general approach to 3D-printed single-atom catalysts“ im Fachjournal Nature Synthesis veröffentlicht.

Einzelatom-Katalysatoren

Einzelatom-Katalysatoren im Rasterelektronenmikroskop
Laut den Forschern liegen Einzelatom-Katalysatoren irgendwo zwischen heterogenen und homogenen Katalysatoren (im Bild: Einzelatom-Katalysatoren im Rasterelektronenmikroskop)(Bild © Xie, F., Cui, X., Zhi, X. et al., Nature Synthesis, 2023).

Der Katalysator ist bei Einzelatom-Katalysatoren dispergiert auf einem festen Substrat. Das bietet Vorteile zu herkömmlichen heterogenen Katalysatoren wie größere Atomökonomie und die Möglichkeit, Reaktionswege mit Koordinationsumgebungen maßzuschneidern. Fangxi Xie von der University of Adelaide erklärt, dass Einzelatom-Katalysatoren irgendwo zwischen heterogenen und homogenen Katalysatoren liegen. Die Herstellung ist oftmals schwierig und teuer, da Defekte in Substrate implantiert oder mikroporöse kristalline Gerüste gezüchtet werden müssen. Bisher haben sich diese Prozesse für eine breite Kommerzialisierung nicht als ausreichend skalierbar erwiesen.

Xie und Kollegen, angeführt von Shi-Zhang Qiao, stellten eine Tinte aus Eisenacetylacetonat und natürlichen Polymeren her und lagerten diese in verschiedenen Mustern auf Substraten ab. Anschließend gefriertrockneten sie sie, um überschüssiges Wasser zu entfernen. Zum Schluss erhitzten sie das gedruckte Gerüst auf 700 °C. Die daraus entstehende Struktur wurde von den Forschern mit mehreren Charakterisierungsmethoden untersucht. Es zeigte sich, dass die Metallatome atomar auf Kohlenstoffsubstraten verteilt waren, ohne Anzeichen einer Clusterbildung. Das Material war ein sehr guter Elektrokatalysator für die Reduktion von Nitrat zu Ammoniak. Indem sie viele verschiedene Übergangsmetalle zur Tinte hinzufügten, konnten sie ähnliche Katalysatoren herstellen, die andere Übergangsmetalle wie Nickel, Kupfer, Zink und Platin enthalten.

Syntheseverfahren
Forscher der University of Adelaide entwickelten ein Protokoll, um Einzelatom-Katalysatoren mit 3D-Druck anzufertigen (im Bild: Syntheseverfahren) (Bild © Xie, F., Cui, X., Zhi, X. et al., Nature Synthesis, 2023).

Stimmen zur Arbeit der Forscher

Qiao sagte:

„Unser Team wird das Potenzial von 3D-gedruckten Einzelatom-Katalysatoren in verschiedenen Anwendungen weiter untersuchen, beispielsweise in der Katalyse bei anderen chemischen Reaktionen, die in der chemischen Industrie von entscheidender Bedeutung sind.“

Bert Weckhuysen von der Universität Utrecht in den Niederlanden ist von der Arbeit beeindruckt:

„Die Eleganz dieser neuen Synthesemethode liegt in der Vielseitigkeit der 3D-Druckmethode, die es ermöglicht, eine Vielzahl von makroskopischen Objekten mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen herzustellen und sie daher auch in verschiedenen bestehenden und neuen Anwendungsbereichen zu erforschen, einschließlich kleiner katalytischer Geräte. Eine meiner Fragen betrifft die Langzeitstabilität dieser 3D-gedruckten Objekte und ob sie den praktischen Umgebungen eines realen katalytischen Geräts standhalten können, einschließlich des Vorhandenseins von z. B. Verunreinigungen.“

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