محققان دانشگاه رایس با افزایش تعداد اتم‌های منفرد فلزات انتقالی که می‌توانند روی یک حامل کربن قرار گیرند، کاتالیزور جدیدی ساختند. در این روش آن‌ها از نقاط کوانتومی کربنی (GQD)، ذرات ۳-۵ نانومتری از جنس کربن ۲D به‌عنوان تکیهگاه استفاده کردند.
توسعه فناوری کاتالیزورهای تک اتمی با کمک نقاط کوانتومی
مهندسان دانشگاه رایس اقدام به توسعه فرایندی کردند که در آن از نقاط کوانتومی کربنی عامل‌دار برای به دام انداختن فلزات انتقالی در فلز استفاده می‌کنند. آن‌ها با ساختن کاتالیزور نیکل تقویت‌شده با نقاط کوانتومی کربنی که در یک آزمایش، پیشرفت قابل توجهی در احیاء الکتروشیمیایی دی‌اکسید کربن نشان داد، عملکرد این کاتالیست جدید را اثبات کردند.
وانگ می‌گوید که فلزات نجیب گران قیمت مانند پلاتین و ایریدیم به‌طور گسترده توسط محققان حوزه کاتالیست‌های تک اتمی با هدف کاهش جرم مورد نیاز برای واکنش‌های کاتالیزوری مورد مطالعه قرار می‌گیرند. اما کنترل فلزات سخت است و به‌طور معمول بخش کوچکی (۵ تا ۱۰ درصد) از وزن یا کمتر از کاتالیزور کلی، را تشکیل می‌دهد.
در مقابل، آزمایشگاه وانگ بارگزاری فلز انتقالی را در یک کاتالیزور تک اتمی ایریدیوم تا ۴۰ درصد از وزن کاتالیست انجام دادند. در این کاتالیست بین هر ۱۰۰ اتم کربن زیرلایه، ۳ تا ۴ اتم فلز ایریدیم وجود دارد. (به این دلیل که ایریدیم بسیار سنگین‌تر از کربن است.)
وانگ می‌افزاید: «این کار روی یک سوال اساسی اما بسیار جالب متمرکز است که ما همیشه از خود می‌پرسیم: چند اتم دیگر را می‌توانیم روی یک تکیهگاه کربن بارگذاری کنیم تا با تجمع ذرات روی زیرلایه مواجه نشویم؟»
وی می‌گوید: «هنگامی که اندازه مواد توده‌ای را به نانومواد کاهش می‌دهید، سطح آن افزایش و فعالیت کاتالیزوری بهبود می‌یابد. در سال‌های اخیر، محققان شروع به کار روی کاهش ابعاد کاتالیزورها به تک اتم برای ارائه فعالیت بهتر کرده‌اند. هر چه بارگیری فلزی بیشتری داشته باشید، می‌توانید عملکرد بهتری داشته باشید. اتم‌های منفرد حداکثر سطح کاتالیز را دارند و ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها در مقایسه با سیستم‌های حجیم بسیار متفاوت است. در این مطالعه، ما می‌خواستیم محدودیت تعداد اتم‌هایی را که می‌توانیم روی یک لایه کربن بارگذاری کنیم، افزایش دهیم.»
وی خاطرنشان کرد که سنتز کاتالیزورهای تک اتمی یک فرایند «از بالا به پایین» یا «از پایین به بالا» است. در این راهبردها معمولا فلزات روی هم جمع می‌شوند. فرآیند جدید با سنتز نقاط کوانتومی، یک رویکرد میانی را در پیش می‌گیرد و حداکثر در دسترس بودن برای کاتالیز واکنش‌ها به‌دست می‌آید.
وانگ گفت: «چالش‌های آینده شامل چگونگی افزایش بیشتر چگالی اتم‌های منفرد، اطمینان از پایداری بالا برای کاربردهای واقعی و مقیاس‌‌گذاری فرآیندهای سنتز آن‌ها است.»
