Forskere skaber et paradigmeskift i kategorisering af katalysatoraktive websteder, hvilket åbner døre til nyt katalysatordesign

I samarbejde med forskere i USA, Kina og Holland har Davidson School of Chemical Engineerings Dr. Zhenhua Zeng og professor Jeffrey Greeley avanceret katalyseforskning og katalysatordesign gennem deres udforskning af aktive steder.

Deres resultater giver ikke kun værdifulde perspektiver på tidligere katalytisk reaktivitet og aktive stedsundersøgelser, men forudsiger også udviklingen af ​​nye katalysatorer med bemærkelsesværdigt forbedret ydeevne.

Brugen af ​​heterogene katalysatorer i kemiske reaktioner er udbredt med den forståelse, at høj katalytisk aktivitet kun forekommer på specifikke overfladesteder. "Bestemmelse af den molekylære struktur af katalytiske aktive steder er et centralt og langvarigt mål for katalysevidenskab. Aktuel forskning identificerer og klassificerer disse aktive steder gennem forskellige overflademotiver, såsom trin og terrasser.

"Denne kategorisering forsimpler ofte kompleksiteten af ​​aktiv lokalitetsidentifikation, hvilket kan føre til usikker klassificering af aktive steder og ukorrekte forudsigelser af katalytisk aktivitet. Således hindrer denne fejlidentifikation muligheder for katalysatordesign," udtalte professor Greeley.

Udgivet i Nature , afslører artiklen "Site-specific reactivity of stepped Pt surfaces driven by stress release" en løsning til den oversimplificerede kategorisering:atomic site-specific reactivity drives by surface stress release, som ofte blev overset i den nuværende klassificeringsproces.

"Denne undersøgelse demonstrerer eksistensen af ​​en fundamentalt ny klasse af aktive steder, sammensat af forskellige overfladestrukturer koblet af udvidede spændings- og belastningsfelter i katalysatoroverfladen, som kan føre til spændende nye katalysatorer til brændselsceller og relaterede elektrokemiske enheder," sagde Greeley .

Ved at bruge trinformede Pt(111) overflader og oxygenreduktionsreaktionen (ORR) i brændselsceller som eksempler, viser papiret, at overfladespændingsfrigivelse producerer inhomogene belastningsfelter, hvilket fører til distinkte elektroniske strukturer og reaktivitet for terrasseatomer med identisk lokal koordination.

Desuden kan terrasseatomerne omkring trinene opleve op til 50 gange forstærkning højere end atomerne i midten af ​​terrassen, hvilket får nogle områder af terrassen til at opleve højere eller lavere ORR-aktivitet. Forskere konkluderede, at evnen til at kontrollere ORR-reaktivitet gennem ændring af terrassebredder eller regulering af ekstern stress åbner nye døre for katalysatordesign.

"Vores arbejde udfordrer den konventionelle antagelse om ensartet reaktivitet blandt atomare steder med identiske lokale miljøer, hvilket afslører distinkt reaktivitet induceret af selv mindre ufuldkommenheder," sagde Zeng.

"Dette papir giver indsigt i atomare skala i aktive steder af trinformede Pt-overflader, især med fokus på deres rolle i brintbrændselsceller. Denne grundlæggende forståelse giver ikke kun overbevisende indsigt i tidligere eksperimenter, men forudsiger også nye katalysatorer med væsentligt forbedret ydeevne."

Resultaterne af denne forskning giver mulighed for en ny linse, hvorigennem forskerne ser katalytisk aktive atomare steder og principperne for design af heterogene katalysatorer.

Samarbejdspartner, professor Marc Koper fra Leiden University udtalte:"Dette arbejde er et smukt eksempel på, hvordan et dedikeret samarbejde mellem højkvalitetsberegninger og eksperimenter kan bringe unik indsigt i et langvarigt problem inden for overfladeelektrokatalyse, nemlig hvordan og hvis lokal overfladebelastning kan påvirke kemisk reaktivitet. Jeg er glad for at have været en del af dette samarbejde."

Flere oplysninger: Guangdong Liu et al., Stedspecifik reaktivitet af trindelte Pt-overflader drevet af stressfrigivelse, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07090-z

Leveret af Purdue University