Forskere afslører skjult katalytisk overflade af Ni-Au kerneskal i kuldioxidhydrogenering

Årevis, kerne-skal strukturerede partikler er blevet anerkendt som veldesignede katalysatorer, der kan lette reaktionsaktivitet på grund af deres tydelige synergisme ved grænsefladen.

For nylig, ved at bruge en kombination af in situ -metoder, Dr. Liu Wei og hans kolleger fra Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) fra det kinesiske videnskabsakademi har fundet ud af, at kerneskal-konfigurationen af ​​en Ni-Au-katalysator gik tabt under den egentlige reaktion og blev genoprettet bagefter. Ni-Au-legeringen som den reelle aktive overflade kan udelukkende observeres via in situ mikroskopi. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkatalyse .

Understøttede metalnanopartikler kan ændre deres størrelse, struktur, og aktiv overfladesammensætning under reaktionsbetingelser, fungerer således anderledes end forventet.

Med hensyn til kerne-skal nanopartikler - en af ​​de mest populære heterogene katalysatorer - er det accepteret, at deres katalytiske egenskaber stammer fra synergien mellem elektronik og geometri mellem kerne- og skallaget.

Imidlertid, mangel på direkte in situ-beviser, der visualiserer den lokaliserede atomkoordination/-arrangement under reelle reaktioner, hindrer vores forståelse af den faktiske struktur-aktivitetsmekanisme og core-shell-funktionalitet.

Forskerne fra DICP beskrev den reelle katalytiske overflade af en Ni-Au bimetallisk katalysator. Uden in situ karakterisering, det viste ingen forskel fra nogen anden rapporteret kerne-shell-katalyse. Dens høje CO-selektivitet (> 95%) (fig. 1b) kunne tilskrives den velkontrollerede ultratynde (ca. to atomer tyk) Au-skal, da en nikkelkatalysator altid giver metan.

Imidlertid, ved at bruge miljøtransmissionselektronmikroskopi til direkte at visualisere den dynamiske proces på atomniveau (fig. 1a), forskerne afslørede, at kerne-skal-strukturen intet bidrog til reaktiviteten, fordi kerne-skallen Ni-Au kinetisk transformeredes til en Ni-Au-legering under reaktionen og vendte dramatisk tilbage til kerne-skal-konfigurationen efter reaktionen (fig. 1c). .

Denne opdagelse er blevet godt understøttet af resultater fra flere in situ-teknikker, herunder synkrotron røntgenspektroskopi og infrarød spektroskopi samt teoretiske simuleringer.

Denne opdagelse vedrørende kerne-skal nanopartikler vælter vores konventionelle forståelse. Som resultat, forskere kan begynde at stille spørgsmålstegn ved, om kerne-skal-katalysatorer virkelig er i kerneskallestruktur under arbejdsvilkår eller ej. Opdagelsen af ​​denne skjulte transformation indikerer også, at bestræbelser på at syntetisere kerneskalstrukturer kan være unødvendige i nogle reaktioner.