Науковці закликають до ретельнішого тестування одноатомних каталізаторів

У світі хімічної промисловості відбувається справжня революція, пов'язана з розробкою та впровадженням одноатомних каталізаторів, які можуть суттєво вплинути на ефективність та екологічність виробничих процесів. Проте стрімке зростання досліджень у цій галузі викликає занепокоєння щодо якості та достовірності отриманих результатів.

Каталізатори відіграють ключову роль у багатьох промислових процесах, від виробництва добрив до переробки палива. Вони прискорюють хімічні реакції, не витрачаючись самі та не утворюючи небажаних побічних продуктів. Традиційно в промисловості використовують два типи каталізаторів: гомогенні та гетерогенні.

Гомогенні каталізатори, які розчиняються в рідині, забезпечують точний контроль та стабільні результати. Однак вони досить дорогі та найкраще підходять для виробництва невеликих партій високовартісної продукції, наприклад, фармацевтичних препаратів. Гетерогенні каталізатори, які перебувають у твердому стані та використовуються у великих масштабах, забезпечують роботу таких галузей, як нафтопереробка та виробництво добрив. Зазвичай вони складаються з крихітних скупчень атомів металів, наприклад платини чи заліза, розподілених на поверхні носія.

Проте традиційні гетерогенні каталізатори можуть зношуватися в жорстких умовах експлуатації. З часом їхня структура та ефективність погіршуються. Саме тому одноатомні каталізатори, які також називають атомарно-дисперсними, привертають значну увагу науковців та промисловців.

Одноатомні каталізатори прагнуть поєднати найкращі властивості обох типів: точність гомогенних систем із довговічністю та масштабованістю гетерогенних. Замість металевих кластерів вони використовують окремі атоми металу, закріплені на твердій поверхні, які служать центрами реакції.

Професор Джейсон Бейтс з Інженерної школи Університету Вірджинії зазначає: «Вони привабливі тим, що їх можна розробити з точністю гомогенного каталізатора, але функціонують вони в практичних умовах як гетерогенні». Це особливо важливо, оскільки багато промислових процесів вже досягли максимальної ефективності з наявними технологіями.

Візьмемо для прикладу виробництво аміаку. Хоча сам процес виділяє мало вуглекислого газу, виробництво необхідного для нього водню супроводжується значними викидами, оскільки водень отримують з викопного палива. «Нам потрібні нові способи виробництва водню з меншим вуглецевим слідом», — пояснює Бейтс. «Одноатомні каталізатори можуть стати частиною розв'язання цієї проблеми».

Однак дослідження та характеристика одноатомних каталізаторів вимагають ретельної роботи, яка, на думку Бейтса, часто пропускається або виконується поспіхом. Він порівнює їхню структуру з пазлом. Існує багато методів для пошуку окремих елементів, але їх потрібно правильно скласти разом, щоб отримати повну картину.

«Багато дослідників, знайшовши один фрагмент пазла, стверджують, що тепер знають, як виглядає весь малюнок, не розглядаючи альтернативні гіпотези та методи», — зазначає науковець. «Реальність досліджень у цій галузі така, що майже ніколи неможливо отримати всі частини головоломки».

Бейтс вважає, що галузі потрібно сповільнитися та зосередитися на відтворюваній, ретельній науці. Тільки тоді дослідники зможуть впевнено розуміти, що вони створили і як це вдосконалити. Його стаття вже знайшла відгук у науковій спільноті. Професор хімії з Університету Тафтса Е. Чарльз Сайкс, який рецензував роботу Бейтса для Nature Chemistry, погоджується із закликом до обережності.

«Численні повідомлення про нові атомарно-дисперсні каталізатори часто недостатньо охарактеризовані або перевірені. Це обмежує фундаментальне розуміння», — говорить Сайкс. «Огляд Джейсона вказує на багато поширених помилок і має служити орієнтиром для спільноти, що постійно зростає».

Публікація Бейтса «Прогрес та підводні камені у розробці гетерогенних каталізаторів з молекулярною точністю» з'явилася в лютневому випуску Nature Chemistry. Вона стала відповіддю на запрошення редактора журналу, який помітив видатну рецензію Бейтса на іншу наукову статтю. Редактор попросив науковця написати перспективний огляд про те, як досліджувати атомарно-дисперсні каталізатори, щоб забезпечити належну строгість та відтворюваність результатів.