Katalysatoren zijn het resultaat van scheikundigen die de schoonheid van moleculen en het mysterie van chemische reacties willen ontrafelen. Professor Jeong Young Park, wiens onderzoek zich richt op katalytische chemische reacties, is geen uitzondering. Zijn onderzoeksteam heeft onlangs doorbraken bereikt bij het beantwoorden van al lang bestaande vragen voor het begrijpen van reactiemechanismen op bimetaalkatalysatoren.

Tijdens de onderzoeken gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang , volgende publicatie in Natuurcommunicatie deze maand, Het onderzoeksteam van Professor Park heeft vastgesteld dat de vorming van metaaloxide-interfaces de belangrijkste factor is die verantwoordelijk is voor het synergetische katalytische effect in bimetaalkatalysatoren. Het team bevestigde dit fundamentele reactiemechanisme door in situ beeldvorming van reactieomstandigheden. Dit is de eerste visualisatie van bimetaaloppervlakken onder reactieomstandigheden, wat de rol van metaaloxide-interfaces in heterogene katalyse betekent.

Bimetaalmaterialen hebben uitstekende katalytische prestaties, die een nieuwe weg opent voor het regelen van elektronische structuren en bindingsenergie in katalysatoren. Ondanks veel onderzoek naar verschillende efficiënties van katalytische reacties, er zijn nog onbeantwoorde vragen over de onderliggende principes achter de verbeterde prestaties. Nog meer, het was erg moeilijk om erachter te komen wat tot de efficiëntie leidde, omdat de structuur, chemische samenstelling, en oxidatietoestand van bimetalen materialen veranderen afhankelijk van de reactieomstandigheden.

Onlangs, onderzoeksgroepen hebben gesuggereerd dat oxide-metaal grensvlakken gevormd door de oppervlaktesegregatie van bimetalen nanodeeltjes verantwoordelijk kunnen zijn voor de verhoogde katalytische prestaties. Echter, ze hebben geen definitief bewijs geleverd dat de fysieke aard of de fundamentele rol van de oxide-metaal-interfaces illustreert die tot de verbeterde prestaties leiden.

Om deze uitdaging specifiek aan te gaan, het onderzoeksteam voerde in situ observaties uit van structurele modulatie op platina-nikkel bimetaal katalysatoren onder koolmonoxide oxidatie omstandigheden met omgevingsdruk scanning tunneling microscopie en omgevingsdruk röntgen foto-elektron spectroscopie.

Het team merkte op dat platina-nikkel-bimetaalkatalysatoren een verscheidenheid aan verschillende structuren vertoonden, afhankelijk van de gasomstandigheden. Onder ultrahoge vacuümomstandigheden, het oppervlak vertoonde een platina huidlaag op het platina-nikkel gelegeerde oppervlak, selectieve nikkelscheiding gevolgd door de vorming van nikkeloxideclusters met behulp van zuurstofgas, en ten slotte het naast elkaar bestaan ​​van nikkeloxideclusters op de platinahuid tijdens koolmonoxideoxidatie. Het onderzoeksteam ontdekte dat de vorming van platina-nikkeloxide-nanostructuren op het grensvlak verantwoordelijk is voor een zeer efficiënte stap in de koolmonoxide-oxidatiereactie.

Deze bevindingen illustreren dat de verbetering van de katalytische activiteit op het bimetaalkatalysatoroppervlak afkomstig is van de thermodynamisch efficiënte reactieroutes op het metaal-metaaloxide-grensvlak, wat een eenvoudig proces demonstreert voor het sterke metaal-ondersteuningsinteractie-effect. De vorming van deze grensvlakmetaal-metaaloxide-nanostructuren verhoogt de katalytische activiteit en zorgt tegelijkertijd voor een thermodynamisch efficiënte reactieweg door de hitte van de reacties op het oppervlak te verlagen.

Professor Park zei dat een manier om katalysatoren te monitoren is om hete elektronen te detecteren die geassocieerd zijn met energiedissipatie en conversieprocessen tijdens oppervlaktereacties. Zijn team leidde de realtime detectie van hete elektronen die worden gegenereerd op bimetalen PtCo-nanodeeltjes tijdens exotherme waterstofoxidatie. Het team verduidelijkte met succes de oorsprong van de synergetische katalytische activiteit van PtCo-nanodeeltjes met overeenkomstige chemische stroomwaarden.

Door de chemische stroomopbrengst te schatten, het onderzoeksteam concludeert dat de katalytische eigenschappen van de bimetalen nanodeeltjes sterk worden bepaald door het oxide-metaal-interface, wat de overdracht van hete elektronen vergemakkelijkt.

Professor Park legde uit, "We zijn van mening dat de precieze meting van hete elektronen op katalysatoren inzicht geeft in het mechanisme voor heterogene katalyse, die kan helpen bij het slimme ontwerp van zeer reactieve materialen. De controle van katalytische activiteit via elektronische engineering van katalysatoren is een veelbelovend vooruitzicht dat de deur kan openen naar het nieuwe veld van het combineren van katalyse met elektronica, genaamd 'catalytronics'." Hij voegde eraan toe dat de studie ook een strategie vaststelt voor het verbeteren van de katalytische activiteit voor katalytische reacties in industriële chemische reactoren.