Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een manier ontwikkeld om afzonderlijke nanoplaten van gemengd metaaloxide toe te voegen aan gouden nanodeeltjes ondersteund door silica om hun katalytische activiteit te verbeteren.

Door koolmonoxide om te zetten in kooldioxide ontdekten ze dat de temperatuur die nodig was voor de reactie aanzienlijk was verlaagd, met aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van bestaande methoden voor het coaten van goud/silica-structuren. De methode maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van een breed scala aan nieuwe hoogwaardige katalysatoren. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces .

Gouden nanodeeltjes, deeltjes met een diameter kleiner dan vijf nanometer, staan ​​bekend als uitstekende katalysatoren voor chemische reacties, met name oxidatiereacties zoals de omzetting van schadelijk koolmonoxide in kooldioxide. Het effect is uitgesproken wanneer ze op metaaloxiden zoals kobaltoxide worden gemonteerd, waarbij de kans groter is dat ze de tegenovergestelde reactie ondergaan, d.w.z. reduceerbare oxiden.

Helaas zijn niet alle metaaloxiden reduceerbaar. Nanodeeltjes gemonteerd op onherleidbare oxiden zoals silica vormen bijvoorbeeld geen effectieve katalysator. Gezien de overvloed aan silica op onze planeet zou een manier om de prestaties van dergelijke materialen te verbeteren de industriële toepassing enorm stimuleren.

Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet manieren te zoeken waarop ze ondersteunde katalysatoren kunnen aanpassen om hun prestaties te verbeteren.

Nu heeft een team onder leiding van universitair hoofddocent Tamao Ishida van de Tokyo Metropolitan University een methode bedacht om afzonderlijke nanosheets van gemengde metaaloxiden (MMO's) af te zetten met behulp van gelaagde dubbele hydroxiden (LDH's).

LDH's bestaan ​​uit metaalhydroxide-nanoplaten waarbij een deel van de metaalionen is vervangen door metaalionen met een hogere lading, waardoor de plaat zelf een netto positieve lading krijgt; vellen zijn aan elkaar gebonden door negatieve ionen. Belangrijk is dat individuele nanosheets afzonderlijk kunnen worden geëxfolieerd en gebruikt.

In deze studie bekleedde het team gouden nanodeeltjes ondersteund door silica, een negatief geladen structuur, met positief geladen LDH-nanoplaten bestaande uit aluminium en een reeks andere metalen, en stelde ze vervolgens bloot aan hoge temperaturen (calcinatie) om een ​​MMO-nanolaag te vormen.

Toen ze hun nieuwe katalysator observeerden met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, ontdekten ze dat de nanodeeltjes bedekt waren met een laag van minder dan één nanometer dik. Om hun prestaties te testen, gebruikte het team ze om koolmonoxide om te zetten in kooldioxide.

Terwijl gouden nanodeeltjes op silica slechts een conversiepercentage van ongeveer 20% hadden, zelfs bij 300° Celsius, vertoonde hun nieuwe katalysator een conversiepercentage van 50% bij slechts 50° Celsius, een reductie van meer dan 250° Celsius. Het bleek ook beter te presteren dan de populaire "impregnatie" -methoden voor MMO-coating.

Interessant genoeg bleek dat dikkere MMO-lagen tot slechtere prestaties leidden:de hoge prestaties zijn te danken aan de coating van minder dan nanometer. Toen ze meer in detail naar een kobalt-aluminium MMO-laag keken, ontdekten ze een overvloed aan zuurstofdefecten in de laag; het team concludeerde dat de nauwe synergie tussen deze met defecten gevulde laag en het goudoppervlak aanleiding gaf tot de verhoogde activiteit.

De nieuwe katalysator realiseerde uitstekende prestaties met zeer lage niveaus van kobaltinsluiting, minder dan 0,3 gew.%. De bevindingen maken de weg vrij voor toepassing op een breed scala aan andere materialen en een hele familie nieuwe, hoogwaardige katalysatoren.

Meer informatie: Kaho Okayama et al., Decoratie van gouden en platina nanodeeltjeskatalysatoren door 1 nm dikke metaaloxide-overlaag en het effect ervan op de CO-oxidatieactiviteit, Toegepaste materialen en interfaces van ACS (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door Tokyo Metropolitan University