science >> Wetenschap >  >> Chemie

Vastleggen van het gedrag van katalysatoren met één atoom onderweg

Een nieuwe studie controleerde nauwkeurig de hechting van platina-atomen (witte ballen) aan een titaniumdioxide-oppervlak (rasterwerk van rode en blauwe ballen). Het ontdekte dat hun posities varieerden van diep in het oppervlak ingebed (linksonder) tot bijna vrij van het oppervlak (rechtsboven). Deze verandering in positie beïnvloedde het vermogen van de atomen om een ​​chemische reactie te katalyseren die koolmonoxide omzet in kooldioxide (rechtsboven). Krediet:Greg Stewart, SLAC Nationaal Versneller Laboratorium

Wetenschappers zijn enthousiast over het vooruitzicht om katalysatoren te strippen tot afzonderlijke atomen. Met miljoenen bevestigd aan een dragend oppervlak, ze kunnen de ultieme snelheid en specificiteit bieden.

Nu hebben onderzoekers een belangrijke stap gezet in de richting van het begrijpen van katalysatoren met één atoom door opzettelijk te tweaken hoe ze zijn bevestigd aan de oppervlakken die ze ondersteunen - in dit geval de oppervlakken van nanodeeltjes. Ze bevestigden één platina-atoom aan elk nanodeeltje en observeerden hoe de verandering van de chemie van het oppervlak van het deeltje en de aard van de aanhechting van invloed was op hoe graag het atoom reacties wilde katalyseren.

De belangrijkste experimenten voor het onderzoek vonden plaats in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, en de resultaten werden gerapporteerd in Natuurmaterialen gisteren.

"We denken dat dit de eerste keer is dat de reactiviteit van een metalen katalysator met één atoom is herleid tot een specifieke manier om deze aan een bepaalde ondersteunende structuur te bevestigen. Deze studie is ook uniek in het systematisch controleren van die aanhechting, " zei Simon R. Bare, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en een co-auteur van de studie.

"Dit is een belangrijke wetenschappelijke doorbraak, en als we op een fundamenteel niveau begrijpen hoe de structuur zich verhoudt tot de reactiviteit, kunnen we uiteindelijk katalysatoren ontwerpen die veel efficiënter zijn. Er werken enorm veel mensen aan dit probleem."

Hardhandige behandeling, goede resultaten

Bare en andere SLAC-wetenschappers maakten deel uit van een eerdere studie bij SSRL waaruit bleek dat individuele iridium-atomen een bepaalde reactie tot 25 keer efficiënter kunnen katalyseren dan de iridium-nanodeeltjes die tegenwoordig worden gebruikt, die 50 tot 100 atomen bevatten.

Deze laatste studie werd geleid door universitair hoofddocent Phillip Christopher van de Universiteit van Californië, Santa Barbara. Het keek naar individuele platina-atomen die in zijn laboratorium waren vastgemaakt aan afzonderlijke nanodeeltjes van titaniumdioxide. Hoewel deze benadering waarschijnlijk niet praktisch zou zijn in een chemische fabriek of in de katalysator van uw auto, het gaf het onderzoeksteam een ​​voortreffelijk fijne controle over waar de atomen werden geplaatst en van de omgeving er onmiddellijk omheen, zei Bare.

Onderzoekers gaven de nanodeeltjes chemische behandelingen - hard of mild - en gebruikten SSRL's röntgenstralen om te observeren hoe die behandelingen veranderden waar en hoe de platina-atomen zich aan het oppervlak hechtten.

In de tussentijd, wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine observeerde direct de aanhechtingen en posities van de platina-atomen met elektronenmicroscopen, en onderzoekers van UC-Santa Barbara hebben gemeten hoe actief de platina-atomen waren in het katalyseren van reacties.

Door de oppervlakte breken

Een platina-atoom heeft zes bindingsplaatsen waar het zich kan verbinden met andere atomen. In onbehandelde nanodeeltjes, de atomen werden begraven in het oppervlak en stevig gebonden aan elk zes zuurstofatomen; ze hadden geen vrije bindingsplaatsen die andere atomen konden grijpen en een katalytische reactie konden starten.

In mild behandelde deeltjes, de platina-atomen kwamen uit het oppervlak en waren gebonden aan slechts vier zuurstofatomen per stuk, waardoor ze twee vrije bindingsplaatsen en het potentieel voor meer katalytische activiteit hebben.

En in ruw behandelde deeltjes, de atomen klampten zich aan het oppervlak vast door slechts twee bindingen, waardoor vier bindingsplaatsen vrij blijven. Toen de onderzoekers het vermogen van de op verschillende manieren behandelde nanodeeltjes testten om een ​​reactie te katalyseren waarbij koolmonoxide wordt gecombineerd met zuurstof om kooldioxide te vormen - dezelfde reactie die plaatsvindt in de katalysator van een auto - kwam deze als beste uit de bus. Bare zei, with five times greater activity than the others.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."