Descripción del proyecto
La catálisis de un solo átomo se está situando a la cabeza de un campo lleno de competidores
Los catalizadores son esenciales para la producción rápida y en cantidades elevadas de productos químicos específicos, ya que aceleran las velocidades de reacción sin ser consumidos por las propias reacciones. Sin embargo, a pesar de no consumirse, habitualmente son metales preciosos y la investigación sobre catalizadores está impulsada en gran parte por la necesidad de reducir el uso de dichos materiales. Los catalizadores de un solo átomo (SAC, por sus siglas en inglés), formados por átomos individuales dispersos en un soporte, se sitúan a la vanguardia de la investigación sobre la catálisis heterogénea ya que reducen la necesidad de usar metales preciosos e incluso de hacer más ecológica la producción de sustancias químicas para una gran variedad de aplicaciones. Sin embargo, la falta de conocimientos sobre las relaciones entre la estructura y la función ha impedido la creación de un diseño racional. El proyecto financiado con fondos europeos E-SAC está caracterizando átomos de metal fuertemente anclados en cinco soportes pertinentes para la industria, además de evaluar sus actividades para identificar aquellos que obtienen los mejores resultados para tipos de reacción específicos. Esto abrirá una nueva era de diseño racional de los SAC para un industria química más ecológica y sostenible.
Objetivo
Rare and expensive metals tend to be the best catalysts, and minimising or replacing them is a major research target as we strive to develop an economy based on more environmentally-friendly, energy-efficient technologies. “Single-atom” catalysis (SAC) represents the ultimate in efficiency, and the chemical bonds formed between the metal atom and the support mean these systems strongly resemble the organometallic complexes utilized in homogeneous catalysis. If all active sites were identical, single-atom catalysts (SACs) could achieve similar levels of selectivity, and even be used to “heterogenize” difficult reactions that must be currently performed in solution. There is a problem however: homogeneous catalysts are designed based on well-understood structure-function relationships. In SAC, the structure of the active site is unknown, thus rational design is impossible.
My group in Vienna has pioneered the use of the model supports to understand fundamental mechanisms in SAC. Our work with Fe3O4(001) proves that we can precisely determine and even selectively modify the active site, and unravel the role of structure in catalytic activity. Real progress, however, requires realistic active sites, realistic supports, and realistic environments. In this project, I describe how we will determine the sites that robustly anchor metal atoms on five of the most important supports in ultrahigh vacuum (UHV), and test their performance in newly-developed high-pressure and electrochemical cells. The origins of selectivity for PROX, hydrogenation, hydroformylation, methane conversion, and the oxygen reduction reaction (ORR) will be elucidated, and the best atom/support combinations for each reaction identified. Robust XANES and IRAS spectra will allow us to bridge the complexity gap and recreate the optimal active sites on real SACs and lead the way into a new era in which heterogeneous catalysts are designed for purpose, based on a fundamental understanding of how they work.
Ámbito científico
Palabras clave
Programa(s)
Régimen de financiación
ERC-COG - Consolidator GrantInstitución de acogida
1040 Wien
Austria