Hvordan størrelse betyder noget for katalysatorer:Studielinks størrelse, aktivitet, elektroniske egenskaber

Et team af forskere fra University of California, Berkeley, har afsløret et grundlæggende forhold mellem størrelsen, aktiviteten og elektroniske egenskaber af heterogene katalysatorer. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Nature, giver ny indsigt i designet af mere effektive og selektive katalysatorer.

Heterogene katalysatorer er materialer, der letter kemiske reaktioner ved at give en overflade, hvor reaktanter kan adsorbere og reagere. Størrelsen og formen af ​​katalysatorpartiklerne spiller en afgørende rolle for deres aktivitet og selektivitet, men de underliggende mekanismer bag disse effekter er ikke fuldt ud forstået.

I denne undersøgelse brugte forskerne en kombination af eksperimentelle og teoretiske teknikker til at undersøge struktur-egenskab-performance-forholdet mellem heterogene katalysatorer. De syntetiserede en række palladiumnanopartikler med forskellige størrelser og studerede deres katalytiske aktivitet til hydrogenering af ethylen, en reaktion, der er vigtig i produktionen af ​​brændstoffer og kemikalier.

Resultaterne afslørede, at aktiviteten af ​​palladiumnanopartiklerne steg med faldende partikelstørrelse. Denne tendens blev tilskrevet det højere overfladeareal af mindre partikler, hvilket gav mere aktive steder for reaktionen. Forskerne fandt dog også ud af, at nanopartiklernes elektroniske egenskaber ændrede sig med faldende partikelstørrelse, hvilket påvirkede reaktionens selektivitet.

Specifikt observerede forskerne et fald i d-båndets centrum af palladiumnanopartiklerne med faldende partikelstørrelse. Denne ændring i den elektroniske struktur resulterede i et skift i reaktionsselektiviteten fra det ønskede produkt, ethan, til det uønskede produkt, methan.

Resultaterne af denne undersøgelse giver en dybere forståelse af sammenhængen mellem størrelsen, aktiviteten og elektroniske egenskaber af heterogene katalysatorer. Denne viden kan bruges til at guide det rationelle design af mere effektive og selektive katalysatorer til en bred vifte af industrielle processer.

Ud over den grundlæggende indsigt opnået fra denne undersøgelse, demonstrerede forskerne også de praktiske implikationer af deres resultater ved at designe en ny palladiumkatalysator med forbedret aktivitet og selektivitet til hydrogenering af ethylen. Denne katalysator kan potentielt bruges til at forbedre effektiviteten og reducere omkostningerne ved at producere brændstoffer og kemikalier.

Samlet set repræsenterer denne undersøgelse et betydeligt fremskridt inden for katalyse og åbner nye veje for udvikling af mere bæredygtige og effektive katalytiske processer.