(PhysOrg.com) -- Chemici van de Universiteit van Utah hebben het eerste overtuigende verband aangetoond tussen de grootte van katalysatordeeltjes op een vast oppervlak, hun elektronische eigenschappen en hun vermogen om chemische reacties te versnellen. Het onderzoek is een stap in de richting van het doel om goedkoper, efficiëntere katalysatoren om de energieproductie te verhogen, het verminderen van aardverwarmende gassen en het vervaardigen van een breed scala aan goederen, van medicijnen tot benzine.

Katalysatoren zijn stoffen die chemische reacties versnellen zonder door de reactie te worden verbruikt. Ze worden gebruikt om de meeste chemicaliën en veel industriële producten te vervaardigen. De wereldeconomie hangt van hen af.

"Een van de grote onzekerheden bij katalyse is dat niemand echt begrijpt hoe groot de deeltjes van de katalysator zijn die een chemische reactie laten plaatsvinden, ", zegt Scott Anderson, een professor in de chemie van de Universiteit van Utah en senior auteur van de studie in de vrijdag, 6 november nummer van het tijdschrift Wetenschap . "Als we konden begrijpen welke factoren de activiteit in katalysatoren regelen, dan zouden we betere en goedkopere katalysatoren kunnen maken.”

“De meeste katalysatoren zijn dure edelmetalen zoals goud of palladium of platina, " hij voegt toe. "Zeg in een gouden katalysator, het meeste metaal is in de vorm van grote deeltjes, maar die grote deeltjes zijn inactief en alleen nanodeeltjes met ongeveer 10 atomen zijn actief. Dat betekent dat meer dan 90 procent van het goud in de katalysator niets doet. Als je een katalysator zou kunnen maken met alleen deeltjes van de juiste grootte, u kunt 90 procent van de kosten of meer besparen.”

In aanvulling, “Er is enorm veel interesse om te leren hoe je katalysatoren kunt maken van veel goedkopere basismetalen zoals koper, nikkel en zink, ', zegt Anderson. “En de manier waarop je dat gaat doen, is door hun chemische eigenschappen te ‘tunen’, dat betekent het afstemmen van de elektronische eigenschappen omdat de elektronen de chemie regelen.”

Het idee is om "een metaal te nemen dat niet katalytisch actief is en, wanneer u het verkleint tot de juiste grootte [deeltjes], het kan katalytisch worden, ', zegt Anderson. "Dat is de focus van ons werk - proberen te identificeren en te begrijpen welke maten metaaldeeltjes actief zijn als katalysatoren en waarom ze actief zijn als katalysatoren."

In de nieuwe studie Anderson en zijn studenten hebben een stap gezet in de richting van het "afstemmen" van katalysatoren om gewenste eigenschappen te hebben door aan te tonen, Voor de eerste keer, dat de grootte van de "nanodeeltjes" van de metaalkatalysator die op een oppervlak worden afgezet niet alleen het activiteitsniveau van de katalysator beïnvloedt, maar de elektronische eigenschappen van de deeltjes.

Anderson voerde het onderzoek uit met promovendi scheikunde Bill Kaden en William Kunkel, en met voormalig promovendus Tianpin Wu. Kaden was eerste auteur.

“Katalysatoren zijn een groot deel van de economie, ', zegt Anderson. “Katalysatoren worden gebruikt voor praktisch elk industrieel proces, van het maken van benzine en polymeren tot het oplossen van vervuiling en raketmotoren.”

Katalysatoren worden gebruikt in 90 procent van de Amerikaanse chemische productieprocessen en om meer dan 20 procent van alle industriële producten te maken, en die processen verbruiken grote hoeveelheden energie, volgens het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE).

In aanvulling, industrie produceert 21 procent van de Amerikaanse aardverwarmende kooldioxide-emissies - inclusief 3 procent door de chemische industrie, zegt DOE.

Dus, verbetering van de efficiëntie van katalysatoren is “de sleutel tot zowel energiebesparing als vermindering van de uitstoot van kooldioxide, ', zegt het bureau.

Katalysatoren worden ook gebruikt bij de productie van geneesmiddelen; voedselverwerking; brandstofcellen; productie van kunstmest; omzetting van aardgas, steenkool of biomassa in vloeibare brandstoffen; en systemen om verontreinigende stoffen te verminderen en de efficiëntie van de verbranding bij de energieproductie te verbeteren.

De North American Catalysis Society zegt dat katalysatoren 35 procent of meer van het wereldwijde bruto binnenlands product bijdragen. “Het grootste deel van deze bijdrage komt van de opwekking van energierijke brandstoffen (benzine, diesel, waterstof), die in grote mate afhankelijk zijn van het gebruik van kleine hoeveelheden katalysatoren in … aardolieraffinaderijen, ', zegt de groep.

“De ontwikkeling van goedkope katalysatoren … is cruciaal voor het opvangen van energie, conversie en opslag, ’, zegt Hendrik Wit, professor en voorzitter van de chemie aan de Universiteit van Utah. "Dit onderzoek is van vitaal belang voor de energiezekerheid van de natie."

Katalysatoronderzoek:wat eerdere onderzoeken en de nieuwe studie lieten zien

Veel belangrijke katalysatoren - zoals die in katalysatoren die de uitstoot van motorvoertuigen verminderen - zijn gemaakt van metaaldeeltjes die in grootte variëren van micron tot nanometer.

Naarmate de grootte van een katalysatormetaaldeeltje wordt verkleind tot nanoschaal, zijn eigenschappen blijven aanvankelijk hetzelfde als een groter deeltje, zegt Anderson. Maar wanneer de grootte kleiner is dan ongeveer 10 nanometer - met ongeveer 10, 000 atomen katalysator - de bewegingen van elektronen in het metaal zijn beperkt, dus hun inherente energie wordt verhoogd.

Wanneer er minder dan ongeveer 100 atomen in katalysatordeeltjes zitten, de variaties in grootte resulteren ook in fluctuaties in de elektronische structuur van de katalysatoratomen. Die fluctuaties hebben een sterke invloed op het vermogen van de deeltjes om als katalysator te werken, zegt Anderson.

Eerdere experimenten hebben aangetoond dat elektronische en chemische eigenschappen van een katalysator worden beïnvloed door de grootte van katalysatordeeltjes die in een gas drijven. Maar die geïsoleerde katalysatordeeltjes zijn heel anders dan katalysatoren die op een metaaloxide-oppervlak zijn gemonteerd - de manier waarop het katalysatormetaal wordt ondersteund in echte industriële katalysatoren.

Eerdere experimenten met katalysatoren die op een oppervlak waren gemonteerd, omvatten vaak een grote verscheidenheid aan deeltjesgroottes. Dus die experimenten konden niet detecteren hoe de chemische activiteit en elektronische eigenschappen van de katalysator variëren afhankelijk van de grootte van individuele deeltjes.

Anderson was de eerste Amerikaanse chemicus die metaalkatalysatordeeltjes op grootte sorteerde en demonstreerde hoe hun reactiviteit verandert met de grootte. In eerder werk, hij bestudeerde goudkatalysatordeeltjes afgezet op titaniumdioxide.

De nieuwe studie gebruikte palladiumdeeltjes van specifieke afmetingen die werden afgezet op titaniumdioxide en werden gebruikt om koolmonoxide om te zetten in kooldioxide.

De studie toonde niet alleen aan hoe de katalytische activiteit varieert met de deeltjesgrootte van de katalysator, "maar we hebben die grootte-afhankelijkheid kunnen correleren met waargenomen elektronische verschillen in de katalysatordeeltjes, ', zegt Kaden. “Mensen hadden gespeculeerd dat dit zou moeten gebeuren, maar niemand heeft het ooit gezien.”

Anderson zegt dat het de eerste demonstratie is van een sterke correlatie tussen de grootte en activiteit van een katalysator op een metalen oppervlak en elektronische eigenschappen van de katalysator.

Hoe de studie werd uitgevoerd

Met behulp van een uitgebreid apparaat in het laboratorium van Anderson, de chemici richtten een laserstraal om palladium te verdampen, het creëren van elektrisch geladen, palladium nanodeeltjes in een damp gedragen door een stroom heliumgas.

Elektromagnetische velden worden gebruikt om de deeltjes op te vangen en door een massaspectrometer te sturen, die alleen de grootte van palladiumdeeltjes selecteert die Anderson en collega's willen bestuderen. De gewenste deeltjes worden vervolgens afgezet op een eenkristal van titaanoxide dat aan een zijde minder dan een halve inch meet.

Volgende, de chemici gebruiken verschillende methoden om het monster van palladiumkatalysatordeeltjes te karakteriseren:met name de elektronische eigenschappen van de palladiumkatalysator, fysieke vorm en chemische activiteit.

Aangeboden door de Universiteit van Utah (nieuws:web)