Indfanger adfærden af ​​enkeltatom-katalysatorer på farten

Forskere er begejstrede over udsigten til at strippe katalysatorer ned til enkelte atomer. Fastgjort i millioner til en understøttende overflade, de kunne tilbyde det ultimative inden for hastighed og specificitet.

Nu har forskere taget et vigtigt skridt mod at forstå enkeltatom-katalysatorer ved bevidst at justere, hvordan de er knyttet til overfladerne, der understøtter dem - i dette tilfælde overfladerne af nanopartikler. De fastgjorde et platinatom til hver nanopartikel og observerede, hvordan ændring af kemien af ​​partiklernes overflade og arten af ​​vedhæftningen påvirkede, hvor ivrig atomet var til at katalysere reaktioner.

Nøgleeksperimenter for undersøgelsen fandt sted på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, og resultaterne blev rapporteret i Naturmaterialer i går.

"Vi mener, at det er første gang, at en metallisk enkeltatomkatalysators reaktivitet er blevet sporet til en specifik måde at fastgøre den til en bestemt bærende struktur. Denne undersøgelse er også enestående til systematisk at kontrollere den vedhæftning, " sagde Simon R. Bare, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og en medforfatter af undersøgelsen.

"Dette er et vigtigt videnskabeligt gennembrud, og forståelse på et grundlæggende niveau, hvordan strukturen relaterer sig til reaktiviteten, vil i sidste ende give os mulighed for at designe katalysatorer til at være meget mere effektive. Der er et stort antal mennesker, der arbejder med dette problem."

hård behandling, gode resultater

Bare og andre SLAC-forskere var en del af en tidligere undersøgelse ved SSRL, der fandt ud af, at individuelle iridiumatomer kunne katalysere en bestemt reaktion op til 25 gange mere effektivt end de iridiumnanopartikler, der bruges i dag, som indeholder 50 til 100 atomer.

Denne seneste undersøgelse blev ledet af lektor Phillip Christopher fra University of California, Santa Barbara. Det så på individuelle atomer af platin, der var knyttet til separate nanopartikler af titaniumdioxid i hans laboratorium. Selvom denne tilgang sandsynligvis ikke ville være praktisk i et kemisk anlæg eller i din bils katalysator, det gav forskerholdet en udsøgt fin kontrol over, hvor atomerne var placeret, og af miljøet umiddelbart omkring dem, Bare sagde.

Forskere gav nanopartiklerne kemiske behandlinger - enten hårde eller milde - og brugte SSRL's røntgenstråler til at observere, hvordan disse behandlinger ændrede, hvor og hvordan platinatomerne fæstnet til overfladen.

I mellemtiden forskere ved University of California, Irvine observerede direkte platinatomernes vedhæftninger og positioner med elektronmikroskoper, og forskere ved UC-Santa Barbara målte, hvor aktive platinatomerne var i katalyserende reaktioner.

At bryde igennem overfladen

Et platinatom har seks bindingssteder, hvor det kan forbindes med andre atomer. I ubehandlede nanopartikler, atomerne var begravet i overfladen og fast bundet til seks oxygenatomer hver; de havde ingen frie bindingssteder, der kunne gribe andre atomer og starte en katalytisk reaktion.

I mildt behandlede partikler, platinatomerne dukkede op fra overfladen og var bundet til kun fire oxygenatomer stykket, efterlader dem to frie bindingssteder og potentiale for mere katalytisk aktivitet.

Og i hårdt behandlede partikler, atomerne klamrede sig til overfladen med kun to bindinger, efterlader fire bindingssteder frie. Da forskerne testede de forskelligt behandlede nanopartiklers evne til at katalysere en reaktion, hvor kulilte kombineres med ilt og danner kuldioxid – den samme reaktion, som finder sted i en bils katalysator – kom denne oven i købet, Bare sagde, med fem gange større aktivitet end de andre.

"While this study shows the importance of understanding the dynamic nature of catalysts, " Christopher said, "the next challenge will be to translate the findings to industrially relevant systems."