Onlangs, Dr. Zhou Yan en Prof. Shen Wenjie van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen en hun medewerkers identificeerden de atomaire structuur van de katalytisch actieve koper-ceriumoxide-interface en stelden een koperdubbellaagsmodel voor. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Natuur Katalyse .

Vanwege hun natuurlijke overvloed, goedkoop, en nog belangrijker, hun unieke elektronische kenmerken, koperkatalysatoren zijn industrieel toegepast en fundamenteel bestudeerd voor verschillende chemische reacties die zeer relevant zijn voor energie.

Koper nanodeeltjes, verspreid op ceria, vormen een zeer efficiënt katalysatorsysteem voor de water-gasverschuivingsreactie bij lage temperatuur, die waterstof genereert, en CO/CO ₂ hydrogenering die methanol oplevert. De twee processen zijn cruciaal voor het gebruik van koolstofbronnen.

De koper-ceriumoxide-interface wordt verondersteld verantwoordelijk te zijn voor de katalytische prestaties. Echter, directe identificatie en een kwantitatieve beschrijving van de actieve sites, die direct interageren met de reactieve moleculen tijdens katalyse, uitdagend blijven.

"Onze conclusies zijn gebaseerd op de observatie van kleine koperclusters door een combinatie van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS), het onderzoeken van de grensvlakbindingsomgeving door in situ infrarood (IR) spectroscopie, en rationalisatie door dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen, " zei prof. Shen.

"Bij het bestuderen van de atomaire structuur van de katalytisch actieve koper-ceriumoxide-interface, we ontdekten dat het kopercluster bestond uit een onderste laag van voornamelijk Cu+-atomen gebonden op de zuurstofvacatures van ceria, en een toplaag van Cu0-atomen gecoördineerd met de onderliggende Cu+-atomen, "Prof. Shen voegde eraan toe.

Bovendien, de wetenschappers ontdekten dat de water-gasverschuivingsreactie bij lage temperatuur plaatsvond aan de koper-ceria-grensvlakperimeter via een site-samenwerkingsmechanisme, waardoor de Cu+-plaats chemisch CO adsorbeert, terwijl de aangrenzende zuurstofvacature-plaats dissociatief water activeert.