Ædelmetalklynger kan forbedre ydeevnen af ​​katalysatorer og spare ressourcer

Milliarder af ædelmetalkatalysatorer bruges verden over til fremstilling af kemikalier, energiproduktion, eller rense luften. Imidlertid, de nødvendige ressourcer til dette formål er dyre, og deres tilgængelighed er begrænset. For at optimere brugen af ​​ressourcer, katalysatorer baseret på enkelte metalatomer er blevet udviklet. Et forskerhold fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) påviste, at ædelmetalatomer kan samles og danne klynger under visse forhold. Disse klynger er mere reaktive end de enkelte atomer og, derfor, udstødningsgasser kan meget bedre fjernes. Resultaterne rapporteres i Naturkatalyse .

Ædelmetalkatalysatorer bruges til en lang række reaktioner. Blandt andre, de anvendes i næsten alle forbrændingsprocesser for at reducere forurenende emissioner. Tit, de består af meget små partikler af den aktive komponent, såsom et ædelt metal, som påføres et bæremateriale. Disse såkaldte nanopartikler er sammensat af flere tusinde metalatomer. "Men kun atomer på ydersiden er aktive i reaktionen, mens de fleste atomer forbliver ubrugte, " forklarer professor Jan-Dierk Grunwaldt fra KIT's Institut for Kemisk Teknologi og Polymerkemi (ITCP). Ved at ændre driftsbetingelser, strukturen af ​​en sådan katalysator og, derfor, dens aktivitet kan blive ændret.

"Ved høje temperaturer i en bils udstødningsgas, som nås under en længere køretur på en motorvej, for eksempel, interaktion mellem ædelmetallet og bæreren kan føre til dannelsen af ​​enkelte atomer, dvs. isoleret, separate metalatomer på bæreren, " siger Grunwaldt. "Sådanne enkeltatom-katalysatorer kan forventes at nå en meget høj udnyttelsesgrad af ædelmetalkomponenterne, fordi alle atomer teoretisk kan deltage i reaktionen." I modsætning til denne forventning, imidlertid, holdet af Grunwaldt, i samarbejde med professorerne Christof Wöll fra Institute of Functional Interfaces of KIT og Felix Studt fra KIT's Institute of Catalysis Research and Technology, har fundet ud af, at disse atomer først skal danne ædelmetalklynger under reaktionsbetingelser for at blive aktive.

Forskerne inducerede specifikt dannelsen af ​​enkelte atomer og undersøgte deres struktur grundigt under reaktionen. Ved hjælp af højt specialiseret spektroskopi og teoretiske beregninger, som blev brugt for første gang nogensinde til denne klasse af katalysatorer, Det lykkedes holdet at forklare, hvorfor platinatomer ofte har en lav aktivitet. "For at omdanne forurenende stoffer, de skal normalt reagere med ilt i katalysatoren. For det, begge komponenter skal være tilgængelige på samme tid og sted, som ikke kan opnås for isolerede platinatomer, da oxygenet til den nødvendige reaktion er alt for stærkt bundet til bærerkomponenten - i vores tilfælde ceriumoxid, " siger Florian Maurer fra ITCP, en af ​​hovedforfatterne til undersøgelsen. "Efter at have brudt platin-ceriumoxidbindingerne, platinatomer kan bevæge sig hen over bæreroverfladen. I et næste trin, disse platinatomer danner små platinklynger, hvorpå reaktionen foregår meget hurtigere end på enkelte atomer."

Klynger har en optimal struktur til høj aktivitet

Holdets undersøgelser viser, at hverken nanopartikler eller isolerede atomer når den højeste aktivitet. "Det optimale ligger imellem. Det nås af små ædelmetalklynger, " siger Grunwaldt. "Stabilisering af disse ædelmetalklynger kan være nøglen til væsentligt at reducere forbruget af ædelmetaller ved fremstilling af katalysatorer. Årevis, stadig finere fordeling af ædelmetalkomponenten har været en af ​​hovedstrategierne ved design af nye katalysatorer. Vores eksperimenter har nu afsløret grænserne i atomområdet." Resultaterne af undersøgelsen vil nu blive brugt til videnbaseret design og udvikling af katalysatorer med øget stabilitet og langsigtet aktivitet. Dette vil være et stort fokus i arbejdet med Karlsruhes udstødningsgascenter i KIT, hvis videnskabelige leder, Dr. Maria Casapu, er medforfatter til undersøgelsen.