Billeddannelse af strukturelle ændringer i katalysatorer under reaktionsbetingelser

Forskere fra National University of Singapore (NUS) afbildede de strukturelle ændringer i ædelmetalkatalysatorer under carbonmonoxid (CO) oxidation, viser, at katalysatorerne skifter mellem inaktiv og aktiv tilstand afhængig af temperatur.

En betydelig forskningsindsats er blevet afsat til udvikling af katalysatorer med højere ydeevne, da de kan reducere de energimæssige omkostninger ved at opretholde en kemisk reaktion. Imidlertid, sådanne bestræbelser er ofte begrænset af mangel på detaljeret indsigt i de strukturelle ændringer af katalysatorerne under disse kemiske reaktioner. Katalysatorer kan ændre deres struktur i henhold til reaktionsbetingelserne, men de fleste af de tilgængelige analytiske værktøjer er ikke i stand til at fange disse ændringer under realistiske driftsmiljøer.

Et forskerhold ledet af prof Utkur MIRSAIDOV fra Institut for Fysik og Institut for Biologiske Videnskaber, NUS har demonstreret den direkte billeddannelse af strukturelle ændringer i Palladium (Pd) nanopartikler, der fungerer som katalysatorer under CO-oxidationsreaktionen ved atmosfærisk tryk ved hjælp af state-of-the-art operando transmission elektronmikroskopi (TEM). Observationerne viste, at afhængigt af temperaturen, katalysatorerne har to adskilte strukturer. Transformationen fra en struktur domineret af lavindeksfacetter til en afrundet struktur på grund af stigende temperatur er forbundet med en inaktiv til aktiv katalysatorovergang. Reduktion af temperaturen vender den strukturelle ændring, og nanopartiklerne vender tilbage til deres inaktive struktur. Termodynamisk modellering resultater fra Dr. Alexander GENEST og hans team ved Institute of High Performance Computing, Agenturet for Videnskab, Teknologi og forskning bekræftede deres eksperimentelle resultater, at lavtemperaturstrukturen indeholder mindre aktive steder på overfladen og derfor er mindre aktiv sammenlignet med højtemperaturstrukturen.

Dr. Se Wee CHEE, den første forfatter til tidsskriftet, sagde, "Disse observationer af reversible transformationer i katalysatorer har vigtige implikationer for katalysatorsamfundet. Den konventionelle tilgang til katalysatorkarakterisering involverer at fjerne katalysatorer fra deres arbejdsbetingelser til efterfølgende undersøgelser. Vores resultater viser, at den aktive struktur af katalysatoren muligvis ikke bibeholdes under sådan en proces og understreger den vigtige rolle operando undersøgelser spiller ind i design og udvikling af nye katalysatorer."

Gruppen planlægger at udvide disse undersøgelser til mere komplekse nanostrukturer og reaktioner, der er relevante for den kemiske industri.