Det seneste fremskridt inden for billedteknologi hjælper med at optimere katalysatorer til brug i brændstofbehandling ombord

Tilstedeværelsen af ​​carbonmonoxid (CO) urenheder i brintgas (H ₂ ) kan have en skadelig indvirkning på brændselscellers ydeevne. Nylige undersøgelser har vist, at guldnanopartikler - partikler mindre end fem nanometer brede - katalytisk kan fjerne CO-urenheder fra H ₂ under milde temperatur- og trykforhold. Denne banebrydende forståelse har hjulpet med at lette udviklingen af ​​brændselscellekøretøjer, der bruger 'onboard' brændstofbehandlingsteknologi. Desværre, guld nanopartikler har en tendens til at miste deres katalytiske aktivitet efter et par timers brug - og videnskabsmænd er nødt til at overvinde dette problem, hvis guld nanopartikler skal bruges.

Ziyi Zhong ved A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, Ming Lin ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har identificeret det subtile, atomare skala strukturelle transformationer, der kan aktivere og deaktivere guld nanopartikel katalysatorer, et fund, der kan føre til længerevarende brintbrændselsceller.

Forskerne satte sig for at designe en forbedret katalysator til såkaldte præferenceoxidationsreaktioner (PROX). Denne tilgang omdanner CO-urenheder til kuldioxid (CO ₂ ) på en keramisk bærer indeholdende metalkatalysatorer. Tidligere, holdet fandt ud af, at silica-baserede støtter, kaldet SBA-15, kunne øge CO-fjernelsen ved selektivt at absorbere CO ₂ biprodukt. Forskerne udnyttede en anden SBA-15-karakteristik - en mesoporøs ramme dekoreret af terminale amingrupper - til at konstruere en ny PROX-katalysator.

Først, holdet brugte aminmodifikation til at sprede en blanding af guld og kobber (II) oxid (CuO) forstadier jævnt over SBA-15 understøtningen. De brugte derefter varmebehandling til at generere guld- og CuO-nanopartikler på SBA-15-støtten. De mange porer i SBA-15 og CuO-partiklerne arbejder sammen for at forhindre agglomerering af guldnanopartikler - en væsentlig årsag til deaktivering af katalysator.

Holdet opnåede derefter en næsten hidtil uset kemisk bedrift:lokaliseret strukturel karakterisering af deres katalysator på atomær skala, ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HR-TEM) og tredimensionel elektrontomografi (se filmen nedenfor). Disse billeddannelsesteknikker afslørede, at de aktive katalysatorsteder - guld eller guld - kobberlegerede nanopartikler i umiddelbar nærhed af amorfe og krystallinske CuO - forblev stabile i op til 13 timer. Imidlertid, den reducerende atmosfære omdanner til sidst CuO til kobber(I)oxid og frit kobber; hvoraf sidstnævnte legerer sig med guldnanopartiklerne og deaktiverer dem. Heldigvis, opvarmning til> 300°C vendte legeringsprocessen og genoprettede katalysatorens aktivitet.

"Folk, der arbejder med katalyse, er altid nysgerrige efter de 'lokale strukturer' af deres materialer, "siger Zhong." Fordi Au-CuO/SBA-15-katalysatoren er aktiv ved stuetemperatur, avanceret karakterisering i vores state-of-the-art faciliteter er mulig - selvom det kræver stor tålmodighed og kræver tværfagligt samarbejde."