Vervanging van de dure metalen die uitlaatgassen in katalysatoren afbreken door goedkopere, effectievere materialen is een topprioriteit voor wetenschappers, zowel om economische als ecologische redenen. Katalysatoren zijn nodig om chemische reacties uit te voeren die anders niet zouden plaatsvinden, zoals het omzetten van vervuilende gassen uit auto-uitlaatgassen in schone verbindingen die in het milieu kunnen worden vrijgegeven. Om ze te verbeteren, onderzoekers hebben een dieper begrip nodig van hoe hun katalysatoren precies werken.

Nu heeft een team van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy precies vastgesteld welke paren atomen in een nanodeeltje van palladium en platina - een combinatie die vaak wordt gebruikt in converters - het meest actief zijn bij het afbreken van die gassen.

Ze beantwoordden ook een vraag die katalysatoronderzoekers voor een raadsel houdt:waarom werken grotere katalysatordeeltjes soms beter dan kleinere, wanneer je het tegenovergestelde zou verwachten? Het antwoord heeft te maken met de manier waarop de deeltjes van vorm veranderen tijdens het verloop van reacties, het creëren van meer van die zeer actieve sites.

De resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van technische katalysatoren voor betere prestaties in zowel industriële processen als emissiecontroles, zei Matteo Cargnello, een assistent-professor chemische technologie aan Stanford die het onderzoeksteam leidde. Hun rapport werd op 17 juni gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het meest opwindende resultaat van dit werk was het identificeren waar de katalytische reactie plaatsvindt - op welke atomaire plaatsen je deze chemie kunt uitvoeren die een vervuilend gas neemt en het omzet in onschadelijk water en koolstofdioxide, wat ongelooflijk belangrijk en ongelooflijk moeilijk is om te doen, " zei Cargnello. "Nu we weten waar de actieve sites zijn, we kunnen katalysatoren ontwikkelen die beter werken en minder dure ingrediënten gebruiken."

Katalysatoren zijn nodig om chemische reacties uit te voeren die anders niet zouden plaatsvinden, zoals het omzetten van vervuilende gassen uit auto-uitlaatgassen in schone verbindingen die in het milieu kunnen worden vrijgegeven. In de katalysator van een auto, nanodeeltjes van edele metalen zoals palladium en platina zijn bevestigd aan een keramisch oppervlak. Terwijl emissiegassen voorbij stromen, atomen op het oppervlak van de nanodeeltjes hechten zich vast aan passerende gasmoleculen en moedigen ze aan om te reageren met zuurstof om water te vormen, kooldioxide en andere minder schadelijke chemicaliën. Een enkel deeltje katalyseert miljarden reacties voordat het uitgeput raakt.

De katalysatoren van tegenwoordig zijn ontworpen om het beste te werken bij hoge temperaturen, Cargnello zei, daarom zijn de meeste schadelijke uitlaatgassen afkomstig van voertuigen die net beginnen op te warmen. Nu er meer motoren zijn ontworpen om bij lagere temperaturen te werken, er een dringende behoefte is om nieuwe katalysatoren te identificeren die beter presteren bij die temperaturen, evenals in schepen en vrachtwagens die waarschijnlijk niet snel zullen overschakelen op elektrische bediening.

Maar wat maakt de ene katalysator actiever dan de andere? Het antwoord was ongrijpbaar.

In dit onderzoek, het onderzoeksteam bekeek katalysator-nanodeeltjes gemaakt van platina en palladium vanuit twee perspectieven - theorie en experiment - om te zien of ze specifieke atomaire structuren op hun oppervlak konden identificeren die bijdragen aan hogere activiteit.

Rondere deeltjes met gekartelde randen

Aan de theoretische kant, SLAC-stafwetenschapper Frank Abild-Pedersen en zijn onderzoeksgroep bij het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om te modelleren hoe blootstelling aan gassen en stoom tijdens chemische reacties de vorm en atomaire structuur van een katalytisch nanodeeltje beïnvloedt. Dit is rekenkundig erg moeilijk, Abild-Pedersen zei:en eerdere studies gingen ervan uit dat deeltjes in een vacuüm bestonden en nooit veranderden.

Zijn groep creëerde nieuwe en eenvoudigere manieren om deeltjes te modelleren in een complexere, realistische omgeving. Berekeningen door postdoctorale onderzoekers Tej Choksi en Verena Streibel suggereerden dat naarmate de reacties vorderden, de achtzijdige nanodeeltjes worden ronder, en hun flat, facetachtige oppervlakken worden een reeks grillige kleine stapjes.

Door nanodeeltjes van verschillende groottes te maken en te testen, elk met een andere verhouding van gekartelde randen tot vlakke oppervlakken, het team hoopte precies te weten welke structurele configuratie, en zelfs welke atomen, droegen het meest bij aan de katalytische activiteit van de deeltjes.

Een beetje hulp van water

Engel Yang, een doctoraat student in de groep van Cargnello, nanodeeltjes gemaakt van nauwkeurig gecontroleerde afmetingen die elk een gelijkmatig verdeeld mengsel van palladium- en platina-atomen bevatten. Om dit te doen, ze moest een nieuwe methode ontwikkelen om de grotere deeltjes te maken door ze rond kleinere deeltjes te zaaien. Yang gebruikte röntgenstralen van SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource om de samenstelling van de nanodeeltjes te bevestigen die ze maakte met hulp van Simon Bare van SLAC en zijn team.

Toen deed Yang experimenten waarbij nanodeeltjes van verschillende groottes werden gebruikt om een ​​reactie te katalyseren die propeen verandert, een van de meest voorkomende koolwaterstoffen in uitlaatgassen, omgezet in koolstofdioxide en water.

"Water speelde hier een bijzonder interessante en heilzame rol, "zei ze. "Normaal gesproken vergiftigt het, of deactiveert, katalysatoren. Maar hier maakte de blootstelling aan water de deeltjes ronder en opende meer actieve sites."

De resultaten bevestigden dat grotere deeltjes actiever waren en dat ze tijdens reacties ronder en grilliger werden, zoals de computationele studies voorspelden. De meest actieve deeltjes bevatten het grootste deel van één bepaalde atomaire configuratie - een waar twee atomen, elk omringd door zeven naburige atomen, vormen paren om de reactiestappen uit te voeren. Het waren deze "7-7 paren" die ervoor zorgden dat grote deeltjes beter presteerden dan kleinere.

Vooruit gaan, Yang zei, ze hoopt erachter te komen hoe ze nanodeeltjes kan inzaaien met veel goedkopere materialen om hun kosten te verlagen en het gebruik van zeldzame edelmetalen te verminderen.

Interesse uit de industrie

Het onderzoek werd gefinancierd door BASF Corporation, een toonaangevende fabrikant van emissiebeheersingstechnologie, via de California Research Alliance, die onderzoek coördineert tussen BASF-wetenschappers en zeven West Coast-universiteiten, inclusief Stanford.

"Dit artikel behandelt fundamentele vragen over actieve sites, waarbij theorie en experimentele perspectieven op een hele leuke manier samenkomen om de experimentele verschijnselen te verklaren. Dit is nog nooit eerder gedaan, en daarom is het behoorlijk belangrijk, " zei Yuejin Li, een senior hoofdwetenschapper bij BASF die aan het onderzoek heeft deelgenomen.

"Uiteindelijk, " hij zei, "we willen een theoretisch model hebben dat kan voorspellen welk metaal of welke combinatie van metalen nog betere activiteit zal hebben dan onze huidige stand van de techniek."