science >> Wetenschap >  >> Chemie

Edelmetaalclusters kunnen de prestaties van katalysatoren verbeteren en hulpbronnen besparen

Schematische weergave van een edelmetaalkatalysator met inactieve enkele atomen (links) en actieve clusters (rechts; edelmetaal:wit; dragermetaal:geel; zuurstof:rood). Krediet:Florian Maurer, KIT

Wereldwijd worden miljarden edelmetaalkatalysatoren gebruikt voor de productie van chemicaliën, energieopwekking, of het reinigen van de lucht. Echter, de daarvoor benodigde middelen zijn duur en beperkt beschikbaar. Om het gebruik van middelen te optimaliseren, katalysatoren op basis van enkele metaalatomen zijn ontwikkeld. Een onderzoeksteam van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) heeft aangetoond dat edelmetaalatomen onder bepaalde omstandigheden clusters kunnen vormen. Deze clusters zijn reactiever dan de afzonderlijke atomen en, Vandaar, uitlaatgassen kunnen veel beter verwijderd worden. De resultaten worden gerapporteerd in Natuur Katalyse .

Edelmetaalkatalysatoren worden gebruikt voor een breed scala aan reacties. Onder andere, ze worden toegepast in bijna alle verbrandingsprocessen om de uitstoot van vervuilende stoffen te verminderen. Vaak, ze bestaan ​​uit zeer kleine deeltjes van het actieve bestanddeel, zoals een edelmetaal, die op een dragermateriaal worden aangebracht. Deze zogenaamde nanodeeltjes zijn opgebouwd uit enkele duizenden metaalatomen. "Maar alleen atomen aan de buitenkant zijn actief in de reactie, terwijl de meeste atomen ongebruikt blijven, ", legt professor Jan-Dierk Grunwaldt van KIT's Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) uit. Door de bedrijfsomstandigheden te veranderen, de structuur van een dergelijke katalysator en, Vandaar, zijn activiteit kan worden gewijzigd.

"Bij hoge temperaturen in het uitlaatgassysteem van een auto, die worden bereikt tijdens een langere rit op een snelweg, bijvoorbeeld, interactie tussen het edelmetaal en de drager kan leiden tot de vorming van enkele atomen, d.w.z. geïsoleerd, afzonderlijke metaalatomen op de drager, Grunwaldt zegt. "Van dergelijke katalysatoren met één atoom kan worden verwacht dat ze een zeer hoge benuttingsgraad van de edelmetaalcomponenten bereiken, omdat alle atomen theoretisch kunnen deelnemen aan de reactie." In tegenstelling tot deze verwachting, echter, het team van Grunwaldt, in samenwerking met professoren Christof Wöll van het Institute of Functional Interfaces van KIT en Felix Studt van KIT's Institute of Catalysis Research and Technology, heeft ontdekt dat deze atomen onder reactieomstandigheden eerst edelmetaalclusters moeten vormen om actief te worden.

De onderzoekers induceerden specifiek de vorming van enkele atomen en onderzochten hun structuur grondig tijdens de reactie. Met behulp van zeer gespecialiseerde spectroscopie en theoretische berekeningen, die voor het eerst werden gebruikt voor deze klasse van katalysatoren, het team slaagde erin uit te leggen waarom platina-atomen vaak een lage activiteit hebben. "Om verontreinigende stoffen om te zetten, ze moeten meestal reageren met zuurstof in de katalysator. Voor deze, beide componenten moeten op hetzelfde moment en op dezelfde plaats beschikbaar zijn, die niet kan worden bereikt voor geïsoleerde platina-atomen, omdat de zuurstof voor de vereiste reactie veel te sterk gebonden is aan de dragercomponent - in ons geval ceriumoxide, " zegt Florian Maurer van ITCP, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. "Na het verbreken van de platina-ceriumoxidebindingen, platina-atomen kunnen over het drageroppervlak bewegen. In een volgende stap, deze platinaatomen vormen kleine platinaclusters, waarop de reactie veel sneller verloopt dan op enkele atomen."

Clusters hebben een optimale structuur voor hoge activiteit

De studies van het team bewijzen dat noch nanodeeltjes noch geïsoleerde atomen de hoogste activiteit bereiken. "Het optimum ligt daar tussenin. Het wordt bereikt door kleine edelmetaalclusters, Grunwaldt zegt. "Het stabiliseren van deze clusters van edelmetalen zou de sleutel kunnen zijn om het verbruik van edelmetalen bij de productie van katalysatoren aanzienlijk te verminderen. Voor jaren, een steeds fijnere verdeling van de edelmetaalcomponent is een van de belangrijkste strategieën geweest bij het ontwerpen van nieuwe katalysatoren. Onze experimenten hebben nu de limieten in het atomaire bereik aan het licht gebracht." De resultaten van het onderzoek zullen nu worden gebruikt voor het op kennis gebaseerde ontwerp en de ontwikkeling van katalysatoren met verbeterde stabiliteit en langetermijnactiviteit. Dit zal een belangrijk aandachtspunt zijn van het werk van het Karlsruhe uitlaatgascentrum van KIT, wiens wetenschappelijk directeur, Dr. Maria Casapu, is co-auteur van de studie.