液体金属催化的一个新阶段

有一些引人注目,甚至有点超自然,液态的金属。液态金属的重量、密度和银色光泽的固体,但添加一个混杂流动性。他们与其他金属,但与其他液体。

例如,汞的行为完全不同油或水。闪闪发光的金属,烦躁时,可以进入珠在一道菜飞掠而过,只有合并像一个自愈熔化的镜子。汞元素可以催眠术的,即使在安全删除的YouTube视频。

镓显示一个不同的魔法。在典型的房间温度的元素是一个闪亮的固体块,可能通过对任意数量的金属。但放在掌心,镓将液化。简述金属融化为29.76°C,几度低于体温。

说,液体金属非凡Kourosh Kalantar-Zadeh,澳大利亚悉尼大学研究他们。“任何时候我们融化金属,突然变成一个不同的生物,”他说。在固态金属的电子是异于寻常,但其离子都是锁着的。在液态金属,离子和自由电子的移动,”他说。这种内在的活力吸引兴趣液体金属为许多潜在的应用。尤其是催化。

液体镓可以上升与催化物种产生合金活性远高于可比固体催化剂系统。液态金属的流体性质似乎不仅仅作为一个方便的单原子催化的主机系统。越来越多的研究表明液态金属催化剂可以使波在工业和绿色能源的应用。

通过镜子

而镓在1875年被发现,人类与汞的关系可以追溯到几千年。早期的炼金术士知道如何孤立的元素矿物朱砂,和相信水星是一个共同组成的金属,一种金属在液态精华。

人类已经把汞使用很长一段时间。它可以部署在一个简单的,如果高度有害健康,从矿石中提取金的方法。最近,它发现在电化学过程中广泛使用制造氯气、氢氧化钠和氯化钠。

虽然汞的毒性的使用显著下降在过去的几十年里,对液态金属系统正在迅速增长,由于增加对镓。

尽管表面上的相似之处,室温液态金属镓和水星非常不同的化学野兽,指出尼古拉新西兰奥克兰大学的加斯顿,使用计算方法来研究液态金属系统。”的原因首先,汞和砷在室温下是液体完全不同,”她说。

它是单个原子漂浮在那里,还是它们形成复合物或集群?我们不知道

电子壳,和相对论的影响随着电子轨道大规模水星核,导致mercury-mercury债券非常弱的元素融化为-38.83°C。与镓,不寻常的结合不同导致其较低的融化。元素- post-transition p区金属特性的共价键结构。澳门万博公司

更像一个分子镓晶体,加斯顿说。当集群变得足够小,镓100原子或更少,这变种从液体滴到一个二维结构的影响下其不寻常的结合。这二维结构是相同的,或多或少,表面结构的液体镓,”加斯东说。”这是非常一个原子,网络不是单个原子彼此断开连接你可能会觉得在一个常规的液体。”

一旦以液体形式,镓喜欢呆在那里。它的沸点是2400°C,液体蒸汽压力几乎为零。液体镓也显示过冷;它不会再冰冻,直到接近-30°C,近60°C低于其熔点(见下面的元素古怪盒镓)。

Kalantar-Zadeh第一次见到这种不同寻常的金属就在十年前,当一位同事在邻近的办公室给他看Galinstan,镓的合金、锡、铟,融化在-19°C。“我不熟悉液体金属,但当我看到Galinstan我很着迷,“Kalantar-Zadeh说。

Kalantar-Zadeh集团探索液态金属属性,如他们的导电性和变形行为当托本Daeneke加入博士后。我们写了一个大的文献综述,意识到,从化学的角度来看,我们不知道会发生什么在液态金属的Daeneke说,现在主导着液态金属RMIT大学研究小组在墨尔本,澳大利亚。作为化学家,我们理解化学分子溶剂溶解,在水中,在离子液体-这是研究死刑。但整个其他的液体,没有人看。

挑战一直缺乏系统的工具来审问你溶解,在镓说,少量的铜。”这是个别铜原子漂浮在那里,他们形成复合物或集群——我们不知道,”Daeneke说。这些闪亮的金属系统强烈吸收x射线,所以x射线分析是困难的,而光反射反射面UV / vis光谱学并不是有效的。核磁共振并不适用。”,我们不能做质量规范,因为它会毁了仪器,“Daeneke说。

最近出现了新的分析方法。“我们只是到达一个点,我们可以开始调查这些系统使用电子显微镜,电子能量损失谱(鳗鱼),同步加速器和中子技术,“Daeneke说。我们已经做了很多工作在澳大利亚同步观察化学溶解。理解这些系统的贡献计算化学家也起了至关重要的作用,他补充道。

“所有这一切刚刚成熟,这是一个巨大的利益驱动的液态金属的研究,“Daeneke说。第二个主要方面,他指出,是更有效的工业催化剂的需求我们面对气候变化和低碳经济的需要。找到更好的方法来制造氨,使氢,摆脱二氧化碳——大量的液体金属研究正朝着那个方向。”

流动状态

几十年来,支持液相催化剂定期探讨了他们的潜力结合多相催化的鲁棒性和准备复苏,与均匀分子催化剂的活性和选择性的优势。从2000年代初,例如,支持离子液体作为过渡金属配合物催化剂的主机。离子液体的热稳定性有限限制他们的应用程序,然而。

2017年,彼得Wasserscheid领导的研究小组在埃朗根Friedrich-Alexander-University,德国,延长了液体金属。一些研究已经表明,固体,palladium-rich palladium-gallium金属间化合物化合物活性催化剂甲醇蒸汽重整和炔等工业过程部分氢化。调整金属的比例,生产gallium-rich混合,应该允许访问液态金属和高的热稳定性比离子液体催化剂,研究人员意识到。他们给这个概念支持液态金属解决方案(Scalms)催化地活跃。

这些液态金属催化剂被证明是非常有效的,特别是长期存在的,研究人员发现在他们最初的烷烃脱氢的研究。有机基质不溶入液态金属,但在其表面催化地转换。我们证明这些支持gallium-rich palladium-gallium阶段典型的反应条件下液体申请丁烷脱氢,”研究人员写道。最值得注意的是,他们的液体性质不仅提供了良好的催化活性,而且有效地防止失活,例如,通过炼焦。

液态金属催化剂迅速开始探索其他反应。首先,液体镓基催化剂可以非常简单,通常通过机械混合。,你可以把一些铂铜,并使复杂的催化系统,很容易,”Daeneke说。现在也有很多证据表明,溶解过程中一个元素到液态金属真的可以改变这些元素的电子结构,并使糟糕的催化剂良好的催化剂,或好的催化剂优良的催化剂,”他说。当然,它可以让一个好的催化剂成坏如果错误的组件混合。

自第一Scalms系统、液态金属催化剂的抗失活过程被证明是一个关键优势相比,工业多相固体催化剂。如果你有一个液体表面,过程如炼焦和催化剂中毒基本上不能发生,“Daeneke说。炼焦是积聚的碳质残留物在催化剂表面,抑制催化剂活动通过阻断了活跃的网站。“可口可乐形成固体和液体催化剂有点像试图把口香糖的区别一堵墙和一碗水,“Daeneke说。“没有表面的水胶可以坚持,它不能坚持。”

催化粒子的流体运动系统中似乎也帮助他们摆脱潜在的毒药。如果你有一点,比方说,一氧化碳系统中,它可能吸收到你的催化部位——但这催化部位可以搬家,解散回散装和流行在别处,“Daeneke说。

Daeneke Kalantar-Zadeh联手利用这种抗结焦活动在催化过程中专门设计生产固体碳存款。我们开发了一个过程将二氧化碳转化为固体碳,“Daeneke说。“就像un-burning煤。他们做了一个镓基液态金属electrocatalyst包含金属铈纳米颗粒作为活性物种。这个系统减少二氧化碳电化学原理的分层固体碳材料类似于石墨烯氧化物,可收获的液态金属表面。

以及电化学方法,它可以通过化学循环的方法,“Daeneke说。液态金属本身可以成为二氧化碳和氧化反应,然后在第二步再生。Daeneke正在与工业合作伙伴扩大水泥碳中和的过程。水泥混凝土生产不能无碳化的石灰岩转化为形式的二氧化碳反应的副产品。,我们把二氧化碳转化为氧化石墨烯片,并添加这些到水泥和水泥,”Daeneke说。其他研究人员探索甲烷热解液体金属,这一过程产生的氢气从天然气生产固体碳,而不是通常的二氧化碳,作为副产品。

自愈系统

即使液态金属催化剂失活,也可以利用其固有的流动诱导自愈,为工业应用提供一个额外的优势,从湖南大学鹰鹏Wu说,中国。

在探究镓基自修复电池电极之后,吴和他的同事们最近延长了工作的电催化作用。我们想看看我们是否能找到一个自愈二氧化碳电解还原的催化剂,”吴说。

团队三氧化二铋混合成镓,然后应用一个负电位产生electrocatalytically活跃铋颗粒分散在液体金属表面。对这种材料催化二氧化碳电化学还原甲酸,直到最终它的性能退化。但按停用铋回到液体,把负电位,铋是再生的,它的结构和催化行为完全恢复,”吴说。

electrocatalyst可以用于一系列的还原反应,吴邦国说,和相关的团队正在探索液态金属电极的氧化反应。我认为它有巨大的工业应用潜力,”吴说。如果电极可以自我修复原位通过应用潜力,而不必被移除和替换,这将节省大量的时间和金钱。

液态金属工业使用听起来充满异国情调的,但是有数量惊人的先例,甚至超出了汞电化学chloralkali过程,Daeneke说。人们通常认为液态金属是很难处理,但它已经经常使用。钢铁行业每天处理大量的液态金属,”他说。核电站经常使用液态金属冷却剂。还有过程像锌galvanisation,你有一个大水桶的熔融锌你泡你的整个车身。

更大的挑战扩大可能镓的成本,目前适用于向上每公斤600美元(£470)。但是有原因可能并不总是这样,Daeneke说。虽然没有找到镓在高度集中存款,它不是一个罕见的元素在地壳中。有大量的镓一起被挖出铝和锌,但它不会得到提取,因为此刻的唯一使用镓半导体行业。的产生是镓制成一个昂贵的超高纯度半导体级。产生更多的,你可以添加一个额外的铝生产设备提取阶段,“Daeneke说。“这里有巨大的潜力。”

网络影响力

液态金属催化剂不仅可以比固体同行更健壮,但更为活跃。在最近的一个显著例子,Kalantar-Zadeh显示添加铂镓原子浓度低至0.0001%生产催化剂三个数量级更加活跃比最先进的固体甲醇和焦棓酸氧化铂碳系统。纯镓,相比之下,没有这个反应活动。

还有更多的活动比简单的单原子铂催化系统,Kalantar-Zadeh说。“铂被镓原子封装,这意味着铂原子不结块,“Kalantar-Zadeh说。但他们也激活周围镓原子变得独特,因此表面变得非常活跃。”

事实上,铂与反应物原子似乎没有直接交互。加斯顿最近完成了从头开始分子动力学模拟更详细地探索这个系统。可以理解的是,加斯顿说,最初的假设在文学——在固体催化剂催化地活跃的金属表面必须反应物与它进行交互。在我们的模拟,令人惊讶的是,铂金实际上并不要暴露在地表,”加斯东说。整个仿真,铂金从未来到地表,但一直覆盖着一层镓。

高催化活性似乎是由于地下铂原子改变镓原子周围的电子结构,成为催化地活跃。的铂不是站起来并运行整个节目,只是静静地坐在那里相对,巧妙地影响周围发生了什么,”加斯东说。不同寻常的网络gallium-gallium债券在其表面可能是这种行为的关键,加斯顿说。我认为铂金的影响的原因之一可能是如此强烈是真的破坏网络的电子行为,”她说。

关键问题对我来说是真正不同的液体催化剂相比,固体催化剂,”她说。液体的动力学本身可能改变催化发生的方式。的酶,例如,可以变形的动态催化剂基质支持某些产品。

这个更复杂的观点在液态金属的性质活跃的网站,相比单铂原子坐在从表面上看,可能支撑一个理解为液态金属催化剂可能不同于固体催化剂,加斯顿说。首先,这一发现可能意味着廉价和丰富的金属可以取代铂或其他贵金属系统中。因为它不是简单的单个原子的催化剂,肯定可能意味着不同的金属可以模仿一些相同的电子态的目的。

流体的未来

Daeneke的实验室最近的工作都集中在液态金属催化剂的氨生产哈勃-博施方法。“我的感觉是,液态金属非常适合这些反应,你有气态小分子的反应,和很多问题像催化剂中毒,焦化,失活,“Daeneke说。这就是很多我们大部分化学驻留,使氨、氢、聚合物原料。这些都是大的反应,我们需要学习如何做得更好。”

当涉及到精细化工或制药生产、Daeneke较不确定他们的潜力。我认为催化过程,你想变得非常有选择性的反应,我还不相信,液态金属可以仅仅因为液态金属表面是无定形的,”他说。但我很乐意被证明是错误的。”

加斯顿希望这么做。发生的一件事,我们可以想象在液体催化剂是金属原子的动能撼动一些债券优先,在某种程度上,你就不会在固体催化环境中,”她说。“固有动力学可能导致选择性特定通路。

催化剂的潜力,我想,是巨大的,”加斯顿补充道。“一方面,认为他们有廉价、简单的主机环境贵金属催化剂单原子。这是真的。但是我认为有很多从催化剂的动态特性,我们应该能够打开,好好利用。”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚