Als het gaat om metaalkatalysatoren, de platina-standaard is, goed, platina! Echter, voor ongeveer $ 2, 000 een ons, platina is duurder dan goud. De hoge kosten van de grondstof vormen grote uitdagingen voor het toekomstige grootschalige gebruik van platina in brandstofcellen. Onderzoek aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) suggereert dat een mogelijke manier om deze uitdagingen aan te gaan, is om klein te denken - heel klein.

Een onderzoek onder leiding van Gabor Somorjai en Miquel Salmeron van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab toonde aan dat onder hoge druk, vergelijkbaar met de druk waarop veel industriële technologieën werken, nanodeeltjesclusters van platina kunnen potentieel beter presteren dan de enkele kristallen van platina die nu worden gebruikt in brandstofcellen en katalysatoren.

"We hebben ontdekt dat de aanwezigheid van koolmonoxidemoleculen de katalytische oppervlakken van platina-eenkristallen omkeerbaar kan veranderen, vermoedelijk de meest thermodynamisch stabiele configuratie voor een platinakatalysator, " zei Somorjai, een van 's werelds meest vooraanstaande experts op het gebied van oppervlaktechemie en katalyse. "Dit geeft aan dat onder hoge druk, eenkristallen van platina zijn niet zo stabiel als nanoclusters, die eigenlijk meer gestabiliseerd worden naarmate koolmonoxidemoleculen samen met platina-atomen worden geadsorbeerd."

"Onze resultaten tonen ook aan dat de beperkingen van traditionele oppervlaktewetenschapstechnieken kunnen worden overwonnen met het gebruik van technieken die onder realistische omstandigheden werken, zegt Salmeron, een toonaangevende autoriteit op het gebied van oppervlaktebeeldvorming en ontwikkelaar van de in situ beeldvorming en spectroscopische technieken die in deze studie worden gebruikt. Hij is ook de directeur van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab.

In dit onderzoek, eenkristal platina-oppervlakken werden onder hoge druk onderzocht. De oppervlakken waren gestructureerd als een reeks vlakke terrassen van ongeveer zes atomen breed, gescheiden door atomaire stappen. Dergelijke structurele kenmerken zijn gebruikelijk in metaalkatalysatoren en worden beschouwd als de actieve plaatsen waar katalytische reacties plaatsvinden. Enkele kristallen worden gebruikt als modellen voor deze functies.

Somorjai en Salmeron bedekten de platina-oppervlakken in deze studie met koolmonoxidegas, een reactant die betrokken is bij veel belangrijke industriële katalytische processen, inclusief het Fischer-Tropsch-proces voor het maken van vloeibare koolwaterstoffen, het oxidatieproces in autokatalysatoren, en de afbraak van platina-elektroden in waterstofbrandstofcellen. Toen de koolmonoxidedekking van de platinakristaloppervlakken 100 procent naderde, de terrassen begonnen te verbreden - het resultaat van toenemende laterale afstoting tussen de moleculen. Toen de oppervlaktedruk één torr bereikte, de terrassen vielen uiteen in clusters van nanometergrootte. De terrassen werden opnieuw gevormd na verwijdering van het koolmonoxidegas.

"Onze waarnemingen van de grootschalige oppervlakteherstructurering van getrapt platina benadrukken het sterke verband tussen de dekking van reactantmoleculen en de atomaire structuur van het katalysatoroppervlak, ", zegt Somorjai. "Het vermogen om katalytische oppervlakken op atomair en moleculair niveau onder werkelijke reactieomstandigheden te observeren, is de enige manier waarop een dergelijk fenomeen kan worden gedetecteerd."

Katalysatoren - stoffen die de snelheid van chemische reacties versnellen zonder zelf chemisch te worden veranderd - worden gebruikt om vrijwel elk industrieel productieproces waarbij chemie betrokken is, op gang te brengen. Metaalkatalysatoren zijn de werkpaarden, waarbij platina een van de beste is. Industriële katalysatoren werken doorgaans onder drukken variërend van millitorr tot atmosferen, en bij temperaturen variërend van kamer tot honderden graden Celsius. Echter, Oppervlaktewetenschappelijke experimenten zijn traditioneel uitgevoerd onder hoogvacuümomstandigheden en lage temperaturen.

"Dergelijke omstandigheden zullen waarschijnlijk elk oppervlakteherstructureringsproces belemmeren dat het overwinnen van zelfs matige activeringsbarrières vereist, ' zegt Somorjai.

zegt Salmeron, "De onbeantwoorde vraag van vandaag is wat de geometrie en locatie van de katalysatoratomen is wanneer de oppervlakken bedekt zijn met dichte lagen moleculen, zoals gebeurt tijdens een chemische reactie."

Somorjai en Salmeron werken al jaren samen aan de ontwikkeling van instrumentatie en technieken waarmee ze onder realistische omstandigheden katalysestudies kunnen doen. Ze beschikken nu over unieke hogedruk scanning tunneling microscopen (STM) en een omgevingsdruk röntgenfoto-elektron spectroscopie (AP-XPS) bundellijn die werkt in de geavanceerde lichtbron van het Berkeley Lab, een vooraanstaande bron van synchrotronstraling voor wetenschappelijk onderzoek.

"Met deze twee middelen, we kunnen de atomaire structuur in beeld brengen en de chemische toestand van katalysatoratomen en geadsorbeerde reactantmoleculen identificeren onder industriële druk en temperaturen, ' zegt Salmeron.

STM-afbeeldingen onthulden de vorming van nanoclusters op de platinakristaloppervlakken, en de AP-XPS-spectra onthulden een verandering in koolmonoxide-elektronbindingsenergieën. Een daaropvolgende samenwerking met Lin-Wang Wang, een theoreticus in de Computational Sciences Division van Berkeley Lab, verklaarde de verandering in structuur als het resultaat van de relaxatie van de sterke afstoting tussen koolmonoxidemoleculen die ontstaat door hun zeer hoge dichtheid aan het oppervlak wanneer ze in evenwicht zijn met verhoogde gasdrukken.

"In de toekomst, het gebruik van deze stabiele platina-nanoclusters als brandstofcelkatalysatoren kan helpen om de prestaties te verbeteren en de kosten te verlagen, ' zegt Somorjai.

De volgende stap voor Somorjai en Salmeron en hun onderzoeksteam zal zijn om te bepalen of andere geadsorbeerde reactanten, zoals zuurstof of waterstof, resulteren ook in de vorming van nanoclusters in platina. Ze willen ook weten of nanoclusters ook in andere metaalkatalysatoren kunnen worden geïnduceerd, zoals palladium, zilver, koper, rhodium, ijzer en kobalt.

"Als deze nanoclustering een algemeen fenomeen is, het zal grote gevolgen hebben voor het soort structuren dat katalysatoren onder hoge druk moeten hebben, katalytische reactieomstandigheden bij hoge temperatuur, ' zegt Somorjai.