Visualisering af kemiske reaktioner på bimetaloverflader

Katalysatorer er resultatet af kemikere, der søger at opklare molekylernes skønhed og mysteriet med kemiske reaktioner. Professor Jeong Young Park, hvis forskning fokuserer på katalytiske kemiske reaktioner, er ingen undtagelse. Hans forskerhold fik for nylig gennembrud med at behandle mangeårige spørgsmål til forståelse af reaktionsmekanismer på bimetalkatalysatorer.

Under undersøgelserne rapporteret i Videnskab fremskridt , efter offentliggørelse i Naturkommunikation denne måned, Professor Parks forskergruppe identificerede, at dannelsen af ​​metaloxid-grænseflader er nøglefaktoren, der er ansvarlig for den synergistiske katalytiske effekt i bimetalkatalysatorer. Teamet bekræftede denne grundlæggende reaktionsmekanisme gennem in situ billeddannelse af reaktionsbetingelser. Dette er den første visualisering af bimetaloverflader under reaktionsbetingelser, betegner metal-oxid-grænsefladers rolle i heterogen katalyse.

Bimetalliske materialer har enestående katalytisk ydeevne, som åbner en ny vej til styring af elektroniske strukturer og bindingsenergi i katalysatorer. På trods af betydelig forskning i forskellige katalytiske reaktionseffektiviteter, der er endnu ubesvarede spørgsmål om de underliggende principper bag den forbedrede ydelse. Endnu mere, det var meget svært at finde ud af, hvad der førte til effektiviteten, fordi strukturen, kemisk sammensætning, og oxidationstilstand for bimetalliske materialer ændres i henhold til reaktionsbetingelser.

For nylig, forskergrupper har antydet, at grænseflade mellem oxid-metal dannet ved overfladesegregation af bimetalliske nanopartikler kan være ansvarlig for den øgede katalytiske ydeevne. Imidlertid, de undlod at fremlægge noget endeligt bevis for den fysiske natur eller den grundlæggende rolle, oxid-metal-grænsefladerne fører til den forbedrede ydeevne.

For specifikt at løse denne udfordring, forskergruppen udførte in situ-observationer af strukturel modulering på platin-nikkel-bimetalkatalysatorer under carbonmonoxidoxidationsbetingelser med omgivelsestryk-scannende tunnelmikroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi ved omgivende tryk.

Teamet observerede, at binummetalkatalysatorer af platin-nikkel udviste en række forskellige strukturer afhængigt af gasforholdene. Under ultrahøje vakuumforhold, overfladen udviste et platinhudlag på platinum-nikkellegeret overflade, selektiv nikkelsegregation efterfulgt af dannelse af nikkeloxidklynger ved hjælp af iltgas, og endelig sameksistens af nikkeloxidklynger på platinhuden under kulilteoxidation. Forskergruppen fandt ud af, at dannelsen af ​​grænseflade-platin-nikkeloxid-nanostrukturer er ansvarlig for et meget effektivt trin i carbonmonoxid-oxidationsreaktionen.

Disse fund illustrerer, at forbedringen af ​​den katalytiske aktivitet på den bimetalliske katalysatoroverflade stammer fra de termodynamisk effektive reaktionsveje ved metal-metaloxid-grænsefladen, som demonstrerer en ligetil proces for den stærke metal-understøttende interaktionseffekt. Dannelsen af ​​disse grænseflade metal-metaloxid-nanostrukturer øger katalytisk aktivitet, samtidig med at den tilvejebringer en termodynamisk effektiv reaktionsvej ved at sænke varmen fra reaktionerne på overfladen.

Professor Park sagde, at en måde at overvåge katalysatorer på er at detektere varme elektroner, der er forbundet med energispredning og omdannelsesprocesser under overfladereaktioner. Hans team ledede realtidsdetektering af varme elektroner genereret på bimetalliske PtCo-nanopartikler under eksoterm hydrogenoxidation. Teamet afklarede med succes oprindelsen til den synergistiske katalytiske aktivitet af PtCo -nanopartikler med tilsvarende kemiske strømværdier.

Ved at estimere udbyttet af kemisk strøm, forskergruppen konkluderer, at de katalytiske egenskaber ved de bimetalliske nanopartikler er stærkt styret af oxid-metal-grænsefladen, hvilket letter varm elektronoverførsel.

Professor Park forklarede, "Vi føler, at den præcise måling af varme elektroner på katalysatorer giver indsigt i mekanismen for heterogen katalyse, som kan hjælpe med det smarte design af stærkt reaktive materialer. Kontrol af katalytisk aktivitet via elektronisk konstruktion af katalysatorer er et lovende perspektiv, der kan åbne døren til det nye felt, hvor man kombinerer katalyse med elektronik, kaldet 'katalytronik.' "Han tilføjede, at undersøgelsen også fastlægger en strategi til forbedring af katalytisk aktivitet for katalytiske reaktioner i industrielle kemiske reaktorer.