Chokerende hedebølger stabiliserer enkelte atomer

Enkelte atomer fungerer godt som katalysatorer, men de forbliver normalt ikke single i lang tid. Argonne-forskere er en del af et team, der bruger højtemperatur-chokbølger til at holde dem på deres plads.

Et aktuelt varmt emne inden for katalyseforskning er udviklingen af ​​enkeltatomkatalysatorer - dem, hvis atomer ikke er bundet til hinanden. Stigningen i eksponering af enkeltatomkatalysatorer maksimerer atombrugseffektiviteten til katalytisk ydeevne, hjælpe afgørende processer såsom fremstilling af brændstof og lægemidler.

Syntetisering af stabile enkeltatomkatalysatorer viser sig udfordrende, fordi mange af de mest nyttige katalytiske reaktioner, såsom omdannelse af metan, kan kun forekomme ved høje temperaturer. For at forblive i en stabil tilstand, enkelte atomer klumper sig ofte sammen, når høje temperaturer introducerer en stigning i ustabilitet til systemet, forårsager et fald i deres katalytiske ydeevne.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, sammen med partnere fra flere universiteter, har vist, at udsættelse af en katalysator og et substrat for gentagne højtemperaturchokbølger bryder katalysatoren i enkelte atomer og tillader systemet at forblive stabilt i hidtil usete tidsrum.

I denne afgørende opdagelse, forskerne brugte platin til katalysatoren og kulstof til substratet. Platin tjener som katalysator for mange vigtige reaktioner, såsom at drive brændselsceller og omdanne naturgas til mere brugbare former.

Studiet, som for nylig dukkede op i Natur nanoteknologi , udnyttede tværfagligt samarbejde mellem flere nationale laboratorier og universiteter. Computermodeller af systemet under varmepulsering kom fra University of Maryland. Forudsigelserne for, hvordan systemet ville opføre sig, matchede nøje de faktiske resultater opnået under reaktionstests ved Johns Hopkins University og røntgenabsorptionsspektroskopi ved Argonne's Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet. In situ stabilitetstest ved hjælp af atomopløsningsmikroskopi blev udført ved University of Illinois i Chicago og på Environmental Molecular Sciences Laboratory, en anden DOE Office of Science brugerfacilitet ved Pacific Northwest National Laboratory.

APS-strålelinjen, der drives af X-ray Science division Spectroscopy-gruppen, er specialiseret i røntgenabsorptionsspektroskopi, og det er vært for en bred vifte af brugere fra områder som energilagring, katalyse og miljøvidenskab. Teknikken, de brugte til systemet i denne undersøgelse, er i stand til unikt at karakterisere enkeltatoms katalyse. Forskerne var i stand til at vise, at efter 10 chokbølger, der var stort set ingen platin-platin-obligationer, og at platinet var bindende med kulstofsubstratet, hvilket er vigtigt for at forklare systemets boostede ydeevne.

Forskerne spredte platinatomer over en kulstofoverflade, og ved lave temperaturer, platinet klynger sig sammen i stedet for at binde sig som individuelle atomer med kulstoffet. Efter en højtemperaturchokbølge - eller varmepuls - begyndte platinøerne at bryde fra hinanden, og efter 10 pulser, platinet blev ensartet spredt og plantet i kulstoffet.

Disse eksperimenter blev udført ved hjælp af chokbølger ved rekordhøje temperaturer på op til 2000 K, en temperatur højere end selv den varmeste magma under Jordens overflade, etablering af et stabilt katalytisk miljø, der er modent med potentiale for reaktion. Systemet forblev stabilt i mere end 50 timer efter syntese.

Chokbølgemetoden omgår det almindelige problem med enkelte atomer, der binder sig til sig selv, fordi når du opvarmer atomer til høje temperaturer, sprøjtet af energi får dem til at bevæge sig rundt og bryde deres allerede eksisterende bånd. Denne ustabilitet forstyrrer platin-platin-bindinger og får platinet til at spredes ud over kulstoffet, giver energistabile muligheder for, at den kan binde sig til kulstofmolekylerne. Med hver ekstra chokbølge, platinatomerne breder sig mere og mere ud.

"Båndene mellem platin og kulstof er stærke, så hvis du adskiller platinet fra sig selv, og det binder med kulstof, det bliver der, " sagde Tianpin Wu fra Spectroscopy Group, en Argonne-forsker om undersøgelsen. "Kkulstoffet er som jord, og platinet er som en blomst med stærke rødder - systemet er meget stabilt."

Brug af termiske chokbølger som en metode til at syntetisere enkeltatom-katalysatorer er en tidseffektiv og bredt anvendelig måde at opnå katalytiske miljøer, der er konventionelt udfordrende. Holdet planlægger at bruge denne metode til at syntetisere andre vigtige katalysatorer såsom ruthenium og cobalt med substrater af carbonnitrid og titaniumdioxid for at få en mere generel teori om, hvordan metoden virker.

"Vi ønsker ikke at stoppe her, " sagde Wu. "Vi ønsker at studere denne nye metode i almindelige reaktioner og derefter generalisere den til andre materialer."

"Vi sammenlignede ydeevnen af ​​vores højtemperatur enkelt atom platin katalysator med konventionelle platin nanopartikler i metan konvertering, og vi så en betydelig forbedring i selektivitet og termisk stabilitet over lange perioder, " sagde Wu.

Holdet gik videre for at teste systemets termiske stabilitet ved at behandle de enkelte atomer med chokbølger op til 3000 K. Resultatet var stadig et hav af enkelte atomer, giver mulighed for maksimeret atombrugseffektivitet.

"Dette arbejde var som et puslespil, og alle samarbejdspartnernes bidrag var nødvendige for at få et detaljeret billede af systemet, " sagde Wu. "Ikke nogen af ​​teknikkerne kunne have fortalt historien alene, men sammen viste vi, at denne metode er lige så vellykket, som den er."