Was, wenn es keine Tunnel in den Schweizer Alpen? Jeder, der versucht, die Reise durch Sie gehen würde nach oben und unten Hügel und Zick-Zack rund um die Bereiche. Viel mehr Zeit und Energie gespeichert wird, um dann durch einen tunnel, als um einen Berg zu besteigen. Dies ist ähnlich wie Katalysatoren arbeiten: Sie beschleunigen Chemische Reaktionen durch das absenken der Energie, die zum erreichen der gewünschten physikalischen Zustand. In der industriellen Fertigung, der heterogenen Katalyse, die in der Regel beinhaltet die Verwendung von festen Katalysatoren gelegt in eine Flüssigkeit oder ein gas Reaktionsgemisch, findet viele Anwendungsmöglichkeiten. In eine andere phase, heterogene Katalysatoren können leicht voneinander getrennt werden aus einer reaktionsmischung. Auf diese Weise werden die Katalysatoren werden kann effektiv zurückgewonnen und recycelt werden, sehr umweltfreundlich. Zusätzlich, Sie weist eine sehr stabile Aktivität auch unter harschen Reaktionsbedingungen. Trotz dieser Vorteile der heterogenen Katalyse wurden erwogen, dass die für weniger Interaktion und Steuerbarkeit als die homogene Katalyse ein aufgrund von wenig Verständnis für seine Reaktion.
Forscher am Zentrum für Nanopartikel-Forschung (unter der Leitung von Direktor Taeghwan HYEON) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) in Zusammenarbeit mit Professor Ki Tae NAM Seoul National University und Professor Hyungjun KIM am KAIST gezeigt, Enzym-wie der heterogenen Katalyse für die erste Zeit. Sie entwickelt eine Hochaktive heterogene TiO2-Photokatalysator incorporated mit vielen einzelnen Kupfer-Atome. Sie benutzten Katalysator für die photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff, und gefunden, dass der Katalysator ist so aktiv wie die meisten aktiven und teure Pt-TiO2 Katalysator.
Die Forscher begangen wurden, um die Modellierung der Katalysator-Struktur, ähnlich wie die meisten effiziente und reaktive Katalysatoren, die biologische Enzyme. Enzyme bestehen aus katalytisch aktiven Metall-Atome und die Sie umgebenden Proteine, die arbeiten sehr eng zusammen, um Ihre Rückmeldungen hin und her. Dank dieser kooperative interne Kommunikation, Enzyme können Sie schnell anpassen Ihre Struktur optimal fit für die gewünschten Reaktionen (allgemein bekannt als die induced-fit-Modell.) Während die Anpassung, Enzyme zeitweise Rückkehr in Ihre ursprünglichen Formen und biegen reformiert. Professor Hyeon sagt, „das erste mal, wir fanden, dass ein Enzym-wie reversiblen und kooperativen Aktivierung tritt auch in heterogenen Katalysatoren. Das ist eine beispiellose Plattform, vereint die Vorteile beider heterogenen Katalysatoren und biologische Enzyme. Während mit der robusten Stabilität von heterogenen Katalysatoren, kooperative und reversible Eigenschaften von Enzymen bringt, Steuerbarkeit, was am Ende bringt hohe Aktivität für Wasserstoff, (die effizienteste und idealen Brennstoff) Produktion von photokatalytischen wasserspaltung Reaktion.“
Biologische Enzyme wurden als ein zentrales Modell für die Entwicklung künstlicher Katalysatoren. Sie wurden erfolgreich eingesetzt bei der Gestaltung homogene Katalysatoren für verschiedene Reaktionen. Noch gab es keinen Bericht über industriell wichtige heterogene Katalysatoren mit diese Enzym-ähnliche Eigenschaften besitzen, aufgrund der fehlenden atomaren Verständnis der heterogenen Katalysator. Diese neue Studie zeigt, dass die heterogenen Katalysatoren können arbeiten wie Enzyme, bestätigt das grundlegende Prinzip, das kooperative zusammenspiel zwischen atomaren Katalysatoren und angrenzenden Umgebungen haben erheblichen Einfluss auf das Allgemeine material-Eigenschaften und katalytische Aktivität.
Die Kombination von theoretischer und nanomaterial-Synthese-Technologien, die Forscher synthetisiert ein Enzym-wie heterogenen Katalysator. Sie bedeckt einen Runden TiO2-Substrat mit single-atom-Kessel. Sie wickelte TiO2-und Kupfer-Atome zusammen. Anschließende Backen erfolgreich stabilisiert Kupfer-einzelne Atome ausschließlich auf Titan-Websites. Es war von entscheidender Bedeutung für diese Studie zu design-Website-einzelnen atom Katalysatoren, da diese Einzel-atom-Struktur direkt imitiert die Struktur von Enzymen (aus single-atom Metall-Ionen und den umgebenden Proteine).
Interessanterweise synthetisiert site-specific single-atom Cu/TiO2-Katalysatoren unterzog einzigartige photoaktivierung Prozess. Durch Absorption von Licht, TiO2 regt ein Elektron. Das angeregte Elektron übertragen wird, um eine einzelne Kupfer-atom durch einfache oxidation Zustand zu ändern. Der transfer eines Elektrons wiederum änderungen wieder umliegenden TiO2-Strukturen (genauso wie die induced-fit-Modell der Enzym). In diesem aktiven Zustand, dann kehrt zu den anfänglichen Ruhezustand als ein Elektron übertragen wird, zurück zu den TiO2 aus einem atom Metall. In der Tat, diese interaktive und reversiblen Mechanismus wurde bestätigt mit dem weißen Cu/TiO2-schnell drehen, um schwarz unter Lichteinstrahlung, und zurück zu den ursprünglichen weißen Farbe, wenn gespült mit Luft. Dank dieser enzymatischen Eigenschaften, einzelnes atom Cu/TiO2-Katalysator stellte sich über 40% der Lichtenergie in H2, eine außergewöhnlich hohe katalytische Aktivität, die ist so aktiv wie die meisten aktiven und teure Pt-TiO2-Photokatalysator. (Wasserstoff ist bekannt, dass die meisten effiziente und ideale Treibstoff, weil es erzeugt nur Wasser als Nebenprodukt)