Wetenschap
Door elektronische verstoring bevorderd grensvlakpad voor gemakkelijke C-H-dissociatie
Op Pt gebaseerde katalysatoren worden op grote schaal gebruikt in katalytische propaandehydrogeneringsprocessen (PDH), waarbij ze een cruciale rol spelen bij de productie van propyleen. Monometallische Pt-katalysatoren vertonen echter vaak een inferieure propyleenselectiviteit als gevolg van de hydrogenolyse, snelle deactivering door cokesafzettingen en het sinteren van nanodeeltjes. Om deze uitdagingen aan te pakken zijn verschillende metalen (Sn, Zn, Ga, Co, enz.) geïntroduceerd om de selectiviteit en stabiliteit van op Pt gebaseerde katalysatoren te verbeteren.
Meestal wordt de vorming van metaallegeringen, verantwoordelijk voor het moduleren van de geometrische en elektronische structuur van Pt, beschouwd als een primaire factor die bijdraagt aan verbeterde prestaties. Niettemin heeft deze modificatie de neiging het vermogen van Pt om C-H-bindingen te activeren te onderdrukken, een cruciaal aspect bij dehydrogeneringsreacties.
De activering van sterke C-H-bindingen in alkaanmoleculen vereist een aanzienlijke energie-input, wat resulteert in relatief hoge barrières voor het dehydrogeneringsproces. Om de katalytische efficiëntie van op Pt gebaseerde katalysatoren in PDH verder te verbeteren, blijft een ingewikkelder ontwerp van actieve centra met een robuust vermogen om propaan te activeren en een hoge selectiviteit voor propyleen een noodzakelijke inspanning.
Onlangs rapporteerde een onderzoeksteam onder leiding van prof. Yong Wang van de Zhejiang Universiteit, China, een opmerkelijk efficiënt grensvlakpad voor gemakkelijke splitsing van C-H-obligaties aan de Pt-GaOx interface door O-sites te induceren door elektronische verstoring van Pt. Ga2 O3 soorten op Pt (111) fungeren als een brug, waardoor gemakkelijke dehydrogenering mogelijk is.
Dit proces omvat de ionisatie van het propaanmolecuul tot een proton en een milde alkylverschuiving, gevolgd door een soepele H-overloop bij hoge temperaturen. Belangrijk is dat dit mechanisme aanzienlijk verschilt van het radicaalmechanisme dat wordt waargenomen op monometallische en/of gelegeerde Pt-oppervlakken.
De resultaten zijn gepubliceerd in het Chinese Journal of Catalysis .
Berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie laten zien dat de zuurstoflocaties van Ga2 O3 soorten op het Pt-oppervlak vertonen hoger gelegen O 2p-toestanden en een aanzienlijke toestandsdichtheid rond het Fermi-niveau als gevolg van de elektronische verstoring van de onderliggende Pt.
Bijgevolg vertonen deze locaties een uitgesproken affiniteit voor H en een uitzonderlijk lage energiebarrière (minder dan 0,30 eV) voor C-H-dissociatie. Bovendien draagt de Ga-oxidecomponent ook bij aan de wijziging van de geometrische structuur van Pt-nanodeeltjes. Deze wijziging leidt tot een vermindering van de ensemblegrootte, waardoor de selectieve productie van propyleen wordt bevorderd.
De ontworpen Pt/Ga-Al2 O3 katalysatoren demonstreren hun superieure prestaties in de PDH-reactie vergeleken met benchmark PtSn/Al2 O3 katalysatoren.