Enkele atomen werken uitstekend als katalysatoren, maar ze blijven meestal niet lang vrijgezel. Wetenschappers van Argonne maken deel uit van een team dat schokgolven met hoge temperatuur gebruikt om ze op hun plaats te houden.

Een actueel onderwerp in katalyse-onderzoek is de ontwikkeling van katalysatoren met één atoom - katalysatoren waarvan de atomen niet aan elkaar zijn gebonden. De toename van de blootstelling aan katalysatoren met één atoom maximaliseert de efficiëntie van het atoomgebruik voor katalytische prestaties, ondersteuning van cruciale processen zoals de productie van brandstof en geneesmiddelen.

Het synthetiseren van stabiele katalysatoren met één atoom blijkt een uitdaging omdat veel van de meest bruikbare katalytische reacties, zoals de omzetting van methaan, kan alleen voorkomen bij hoge temperaturen. Om stabiel te blijven, enkele atomen clusteren vaak samen wanneer hoge temperaturen een toename van de instabiliteit van het systeem veroorzaken, waardoor hun katalytische prestaties afnemen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met partners van meerdere universiteiten, hebben aangetoond dat het blootstellen van een katalysator en substraat aan herhaalde schokgolven van hoge temperatuur de katalysator in afzonderlijke atomen breekt en het systeem in staat stelt om voor ongekende perioden stabiel te blijven.

Bij deze cruciale ontdekking de wetenschappers gebruikten platina voor de katalysator en koolstof voor het substraat. Platina dient als katalysator voor veel belangrijke reacties, zoals het aandrijven van brandstofcellen en het omzetten van aardgas in meer bruikbare vormen.

De studie, die onlangs verscheen in Natuur Nanotechnologie , profiteerde van interdisciplinaire samenwerking tussen meerdere nationale laboratoria en universiteiten. Computermodellen van het systeem tijdens het pulseren van warmte kwamen van de Universiteit van Maryland. De voorspellingen voor hoe het systeem zich zou gedragen, kwamen nauw overeen met de werkelijke resultaten die werden verkregen tijdens reactietests aan de Johns Hopkins University en röntgenabsorptiespectroscopie bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. In situ stabiliteitstesten met behulp van atomaire resolutiemicroscopie werden uitgevoerd aan de Universiteit van Illinois in Chicago en aan het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een andere DOE Office of Science User Facility in Pacific Northwest National Laboratory.

De APS-bundellijn die wordt beheerd door de Spectroscopiegroep van de afdeling X-ray Science, is gespecialiseerd in röntgenabsorptiespectroscopie, en het biedt onderdak aan een breed scala aan gebruikers uit gebieden zoals energieopslag, katalyse en milieukunde. De techniek die ze in deze studie voor het systeem hebben gebruikt, is in staat om katalyse met één atoom op unieke wijze te karakteriseren. De wetenschappers konden aantonen dat na 10 schokgolven, er waren vrijwel geen platina-platinabindingen, en dat het platina aan het koolstofsubstraat bindt, wat belangrijk is bij het verklaren van de verbeterde prestaties van het systeem.

De wetenschappers verspreidden platina-atomen over een koolstofoppervlak, en bij lage temperaturen, het platina clusterde samen in plaats van als individuele atomen te binden aan de koolstof. Na een schokgolf bij hoge temperatuur - of warmtepuls - begonnen de platina-eilanden uiteen te vallen en, na 10 pulsen, het platina werd gelijkmatig gedispergeerd en in de koolstof geplant.

Deze experimenten werden uitgevoerd met schokgolven bij recordhoge temperaturen tot 2000 K, een temperatuur hoger dan zelfs het heetste magma onder het aardoppervlak, totstandbrenging van een stabiele katalytische omgeving die rijp is voor reactie. Het systeem bleef stabiel gedurende meer dan 50 uur na synthese.

De schokgolfmethode omzeilt het veelvoorkomende probleem van enkele atomen die met zichzelf binden, want wanneer je atomen tot hoge temperaturen verwarmt, de plons van energie zorgt ervoor dat ze zich verplaatsen en hun reeds bestaande banden verbreken. Deze instabiliteit verstoort de platina-platinabindingen en zorgt ervoor dat het platina zich over de koolstof verspreidt, het biedt energiestabiele mogelijkheden om te binden met de koolstofmoleculen. Met elke extra schokgolf, de platina-atomen verspreiden zich steeds meer.

"De bindingen tussen platina en koolstof zijn sterk, dus als je het platina van zichzelf scheidt en het bindt met koolstof, het zal daar blijven, " zei Tianpin Wu van de groep Spectroscopie, een Argonne-wetenschapper over de studie. "De koolstof is als aarde en het platina is als een bloem met sterke wortels - het systeem is erg stabiel."

Het gebruik van thermische schokgolven als een methode voor het synthetiseren van katalysatoren met één atoom is een tijdbesparende en breed toepasbare manier om katalytische omgevingen te bereiken die conventioneel uitdagend zijn. Het team is van plan deze methode te gebruiken om andere belangrijke katalysatoren zoals ruthenium en kobalt te synthetiseren met substraten van koolstofnitride en titaniumdioxide om een ​​meer algemene theorie te krijgen over hoe de methode werkt.

"We willen hier niet stoppen, " zei Wu. "We willen deze nieuwe methode bestuderen in gemeenschappelijke reacties en deze vervolgens veralgemenen naar andere materialen."

"We vergeleken de prestaties van onze platinakatalysator met één atoom op hoge temperatuur met conventionele platina-nanodeeltjes bij de omzetting van methaan, en we zagen een significante verbetering in selectiviteit en thermische stabiliteit gedurende lange tijdsperioden, " zei Wu.

Het team ging verder om de thermische stabiliteit van het systeem te testen door de enkele atomen te behandelen met schokgolven tot 3000 K. Het resultaat was nog steeds een zee van enkele atomen, waardoor een maximale efficiëntie van het atoomgebruik mogelijk is.

"Dit werk was als een puzzel, en alle bijdragen van de medewerkers waren nodig om een ​​gedetailleerd beeld van het systeem te krijgen, "zei Wu. "Geen enkele techniek had het verhaal alleen kunnen vertellen, maar samen hebben we laten zien dat deze methode net zo succesvol is als hij is."