A nanorészecskéket tartalmazó katalizátorok, amelyek nélkül a modern vegyipar és olajfinomítás nem létezne, gyakran amiatt vesztik el az aktivitásukat, mert a hatásukért felelős úgynevezett aktív centrumokat elfedik a szén-alapú lerakódások (koksz) vagy mert ezek a nanoméretű részecskék összeolvadnak nagyobbakká, amelyek már kevésbé aktívak. A Science szaklapban megjelent új tanulmány szerint azonban megfelelő nanomérnöki eljárással mindkét folyamat megállítható. Egy ilyen katalizátort használtak a tanulmányt megjelentető kutatócsoport tagjai a metán száraz reformálási reakciója során, hogy metánból és szén-dioxidból iparilag is értékes anyagokat gyártsanak, írja a C&EN.

A légköri szén-dioxid mennyiség hathatós csökkentésének egyik módja az lehetne, hogy a kibocsátás helyett felhasználhatnák egy nagyipari folyamatban alapanyagként. A szén-dioxid száraz reformálása (dry reforming) az egyik ilyen lehetséges eljárás, amely során a szén-dioxidot metánnal reagáltatva szintézis gázt, vagyis hidrogén és szén-monoxid keverékét, lehet előállítani. A szintézis gázt aztán rengeteg más vegyipari vagy finomítói eljárásban lehet alapanyagként használni, hogy vegyszereket, műanyagokat vagy üzemanyagot gyártsunk belőle. A száraz reformálási reakciót különböző katalizátorok segítségével lehet felgyorsítani, de ezek rendszerint nem elég tartósak, a fent említett kokszolódás és az aktív részecskék összeolvadása (szakszóval szintering) miatt.

Az régóta köztudott a katalizátorokkal kapcsolatos tudományos munkáknak köszönhetően, hogy a reakciót segítő, úgynevezett aktív centrumok rendszerint a kristályok határoló végein (lapok, élek, csúcsok) találhatók, és reakciótól függően bizonyos kristály szimmetriát követő végeket követelnek meg. A dél-koreai Korea Advanced Institute of Science & Technology kutatói sejtése az volt, hogy a kristályhibák idézik elő valószínűleg a nem kívánt reakciókat is — többek között a túlzott aktivitást, amely rendszerint koksz képződéshez vezet. Ha ezeket megfelelő szintézis eljárással sikerülne teljesen kiküszöbölni, akkor várhatóan a katalizátorok egyrészt sokkal inkább befolyásolható mértékben lennének aktívak, másrészt pedig sokkal lassabban veszítenék el aktivitásukat a reakció során.

A tesztelés során kiderült, hogy a metán száraz reformálási reakcióját egy molibdénnel adalékolt ["dópolt", kis mennyiségben hozzáadott, "megfűszerezett", a szerk.] nikkel katalizátor, amelyet magnézium-oxid hordozóra helyeznek, aktív katalizátorként működik a reakció során. A hagyományos előállítási eljárások azonban rengeteg kristályhibát eredményeznek. A kutatók új receptúrák után néztek.

Először is a kiindulási magnézium-oxid kristályokat szén-dioxiddal reagáltatva szinte tökéletes MgO kristályokat lehet előállítani. Ezután a nikkel és molibdén kiindulási sókat egy speciális folyamat segítségével — ahol poliolokat, hidrazint és felületaktív anyagokat felhasználva lehet a részecskék méretét viszonylag szűk és előre meghatározható mérettartományban tartani — fém nanorészecskéket gyártottak. Miután ezeket a magnézium-oxid hordozóra felvitték, kiderült hogy a kapott katalizátor aktívabb az iparilag alkalmazott katalizátorok jelentős részénél. Emellett azonban az is gyorsan kiderült, hogy az ipari rendszerekhez képest ez az új katalizátor a teszt 850 órája alatt nem vesztett az aktivitásából, és nem jelentkezett rajta kokszképződés sem.

Szinkrotron sugárzás alapú analízissel sikerült kimutatni, miért ilyen stabil az új katalizátor: a nagyjából 3 nm méretű Ni-Mo részecskék tökéletesen beágyazódtak a magnézium-oxid megmaradt néhány felületi kristályhibáinál. A reakció körülmények között tehát a fém részecskék ezekhez a kristályhibákhoz vándoroltak, és ott megállva megakadályozták a további részecske növekedést és a koksz lerakódás elindulását is.

A kutatók nagy reményeket fűznek az eredményekhez, amelyek alapján az ilyen nanorészecskéket tartalmazó katalizátorok új generációját lehet majd kifejleszteni az ipari alkalmazásokhoz.