Meget effektiv enkeltatom-katalysator kan hjælpe bilindustrien

En længerevarende, højere effektivitet platin katalysator er blevet udviklet af et Dalhousie University-ledet team, et resultat med store konsekvenser for bilindustrien.

Platinkatalysatorer hjælper med at deaktivere giftige udstødningsgasser fra traditionelle bilmotorer. Platin bruges også til at hjælpe med at drive de kemiske reaktioner, der gør nul-emissionsbrintebrændselsceller mulige - en teknologi, der kan transformere biler, som vi kender dem.

Den nye katalysator kombinerer guld og platin for at danne det, der er kendt som en enkelt-atom katalysator, hvilket resulterer i næsten 100 gange stigninger i effektivitet i forhold til platinkatalysatorer på markedet, siger Peng Zhang, Dalhousie-professoren, der ledede denne forskning.

Ikke kun er effektiviteten forbedret i starten, men det opretholdes gennem katalysatorens levetid:normalt, en platinkatalysator fungerer mindre godt over tid, da kuliltemolekyler binder tæt til og blokerer platin i at hjælpe reaktioner.

Forbedringer kommer fra to egenskaber:enkeltatomstrukturen, som maksimerer platins aktive overfladeareal, og de unikke elektroniske egenskaber, som tilsætning af guld til at skabe en legering hjælper med at opnå.

"Magien sker på grund af legeringen. Tænk på jern:det bliver meget let rustent i luften, men hvis du har en jernlegering, som rustfrit stål, dens egenskaber er helt forskellige, " siger Zhang.

For eksempel, at lave en guld-platin-legering forhindrer platinkatalysatoren i at miste effektivitet og "forgiftes" over tid. Katalysatorforgiftning er en af ​​de største kampe.

Dette skyldes, at hvis to platinatomer er side om side, så binder kulilte fra den kemiske reaktion sig tæt til dem, forgiftning af katalysatoren og gradvist forringelse af dens effektivitet. Når forskere sikrer, at der ikke er platinhobe i et større guldgitter, forgiftningseffekten forsvinder.

Zhangs team arbejdede med tre canadiske lyskilder på University of Saskatchewan for at forstå og teste deres legerede katalysatorer, da de prøvede forskellige kombinationer og strukturer af platin og guld.

"Synkrotroner er et af de mest kraftfulde værktøjer at studere. Legeringer er super svære at studere med almindelige værktøjer, da det er svært at skelne de to metaller fra hinanden, "siger Zhang." Med en synkrotron, du kan nemt indstille energien til kun at tage platin, og så guldet."

Da forskerne reducerede platinindholdet i deres katalysator, de fandt store forbedringer i dens funktion, indtil de til sidst ramte single-atom-modellen, der maksimerede platins overfladeareal og minimerede forgiftning.

Yderligere, holdet fandt ud af, at den simple kemiske teknik, de brugte til at fremstille legeringen, resulterede i en højere samlet koncentration af platinatomer end typiske legeringer med næsten 10 gange. Legeringer indeholder normalt meget lave koncentrationer af enkeltatomer, under 1 %. Zhangs team skabte en legering med 7% single-platinatomer.

Arbejdet er endnu ikke færdigt, selvfølgelig. Zhang og hans team byggede denne første legering med guld, fordi den er meget stabil, hvilket gør det fantastisk til at teste nye ideer. Men selvfølgelig, som platin, guld er meget dyrt.

"Guld er et første skridt til at vise konceptet. Vi vil nu se på andre, billigere metaller, hvilket vil gøre dette mere anvendeligt for industrien, " siger Zhang.