Hvordan størrelse betyder noget for katalysatorer:Størrelse på undersøgelseslinks, Aktivitet, Elektroniske egenskaber

(PhysOrg.com) - University of Utah kemikere demonstrerede den første afgørende sammenhæng mellem størrelsen af ​​katalysatorpartikler på en fast overflade, deres elektroniske egenskaber og deres evne til at fremskynde kemiske reaktioner. Undersøgelsen er et skridt mod målet om at designe billigere, mere effektive katalysatorer til at øge energiproduktionen, reducere jordvarmende gasser og fremstille en lang række varer fra medicin til benzin.

Katalysatorer er stoffer, der fremskynder kemiske reaktioner uden at blive forbrugt af reaktionen. De bruges til at fremstille de fleste kemikalier og mange industriprodukter. Verdens økonomi afhænger af dem.

"En af de store usikkerheder i katalyse er, at ingen rigtig forstår, hvilken størrelse partikler af katalysatoren faktisk får en kemisk reaktion til at ske, " siger Scott Anderson, en kemiprofessor ved University of Utah og seniorforfatter til undersøgelsen i fredags, 6. november udgave af tidsskriftet Videnskab . "Hvis vi kunne forstå, hvilke faktorer der styrer aktiviteten i katalysatorer, så kunne vi lave bedre og billigere katalysatorer."

"De fleste katalysatorer er dyre ædelmetaller som guld eller palladium eller platin, ” tilføjer han. "Sig i en guldkatalysator, det meste af metallet er i form af store partikler, men de store partikler er inaktive, og kun nanopartikler med omkring 10 atomer er aktive. Det betyder, at mere end 90 procent af guldet i katalysatoren ikke gør noget. Hvis du kunne lave en katalysator med kun den rigtige størrelse partikler, du kan spare 90 procent af omkostningerne eller mere."

Ud over, "Der er en enorm interesse for at lære at lave katalysatorer af meget billigere uædle metaller som kobber, nikkel og zink, ", siger Anderson. "Og måden du vil gøre det på er ved at 'tune' deres kemiske egenskaber, hvilket betyder at justere de elektroniske egenskaber, fordi elektronerne styrer kemien."

Ideen er at "tage et metal, der ikke er katalytisk aktivt og, når du reducerer det til den passende størrelse [partikler], det kan blive katalytisk, ", siger Anderson. "Det er fokus for vores arbejde - at forsøge at identificere og forstå, hvilke størrelser af metalpartikler der er aktive som katalysatorer, og hvorfor de er aktive som katalysatorer."

I den nye undersøgelse, Anderson og hans elever tog et skridt i retning af at "tune" katalysatorer til at have de ønskede egenskaber ved at demonstrere, for første gang, at størrelsen af ​​metalkatalysator-"nanopartikler" aflejret på en overflade ikke kun påvirker katalysatorens aktivitetsniveau, men partiklernes elektroniske egenskaber.

Anderson udførte undersøgelsen med kemi-doktorandstuderende Bill Kaden og William Kunkel, og med tidligere doktorand Tianpin Wu. Kaden var første forfatter.

"Katalysatorer er en stor del af økonomien, ", siger Anderson. "Katalysatorer bruges til praktisk talt alle industrielle processer, fra fremstilling af benzin og polymerer til forureningsafhjælpning og raketthrustere."

Katalysatorer bruges i 90 procent af amerikanske kemiske fremstillingsprocesser og til at fremstille mere end 20 procent af alle industrielle produkter, og disse processer bruger store mængder energi, ifølge det amerikanske energiministerium (DOE).

Ud over, industrien producerer 21 procent af USA's jordvarmende kuldioxidemissioner - inklusive 3 procent fra den kemiske industri, siger DOE.

Dermed, forbedring af effektiviteten af ​​katalysatorer er "nøglen til både energibesparelser og reduktioner af kuldioxidemissioner, ” siger bureauet.

Katalysatorer bruges også i lægemiddelfremstilling; fødevareforarbejdning; brændstofceller; produktion af gødning; omdannelse af naturgas, kul eller biomasse til flydende brændstoffer; og systemer til at reducere forurenende stoffer og forbedre effektiviteten af ​​forbrændingen i energiproduktionen.

The North American Catalysis Society siger, at katalysatorer bidrager med 35 procent eller mere af det globale bruttonationalprodukt. "Den største del af dette bidrag kommer fra produktion af højenergibrændstoffer (benzin, diesel, brint), som er kritisk afhængige af brugen af ​​små mængder katalysatorer i … petroleumsraffinaderier, ” siger gruppen.

"Udviklingen af ​​billige katalysatorer ... er afgørende for energiopsamling, konvertering og opbevaring, " siger Henry White, professor og formand for kemi ved University of Utah. "Denne forskning er afgørende for nationens energisikkerhed."

Katalysatorforskning:Hvad tidligere undersøgelser og den nye undersøgelse viste

Mange vigtige katalysatorer - såsom dem i katalysatorer, der reducerer motorkøretøjers emissioner - er lavet af metalpartikler, der varierer i størrelse fra mikron ned til nanometer.

Da størrelsen af ​​en katalysatormetalpartikel reduceres til nanoskalaen, dens egenskaber forbliver oprindeligt de samme som en større partikel, siger Anderson. Men når størrelsen er mindre end omkring 10 nanometer - indeholdende omkring 10, 000 atomer katalysator - elektronernes bevægelser i metallet er begrænset, så deres iboende energier øges.

Når der er færre end omkring 100 atomer i katalysatorpartikler, størrelsesvariationerne resulterer også i fluktuationer i den elektroniske struktur af katalysatoratomerne. Disse udsving påvirker i høj grad partiklernes evne til at fungere som katalysator, siger Anderson.

Tidligere eksperimenter dokumenterede, at en katalysators elektroniske og kemiske egenskaber påvirkes af størrelsen af ​​katalysatorpartikler, der flyder i en gas. Men disse isolerede katalysatorpartikler er helt anderledes end katalysatorer, der er monteret på en metaloxidoverflade - den måde, hvorpå katalysatormetallet understøttes i rigtige industrielle katalysatorer.

Tidligere eksperimenter med katalysatorer monteret på en overflade omfattede ofte en lang række partikelstørrelser. Så disse eksperimenter formåede ikke at opdage, hvordan katalysatorens kemiske aktivitet og elektroniske egenskaber varierer afhængigt af størrelsen af ​​individuelle partikler.

Anderson var den første amerikanske kemiker til at sortere metalkatalysatorpartikler efter størrelse og demonstrere, hvordan deres reaktivitet ændrer sig med størrelsen. I tidligere arbejde, han studerede guldkatalysatorpartikler aflejret på titaniumdioxid.

Den nye undersøgelse brugte palladiumpartikler af specifikke størrelser, der blev aflejret på titaniumdioxid og brugt til at omdanne kulilte til kuldioxid.

Undersøgelsen viste ikke kun, hvordan katalytisk aktivitet varierer med katalysatorpartikelstørrelsen, "men vi har været i stand til at korrelere den størrelsesafhængighed med observerede elektroniske forskelle i katalysatorpartiklerne, " siger Kaden. "Folk havde spekuleret i, at dette skulle ske, men ingen har nogensinde set det."

Anderson siger, at det er den første demonstration af en stærk sammenhæng mellem størrelsen og aktiviteten af ​​en katalysator på en metaloverflade og katalysatorens elektroniske egenskaber.

Hvordan undersøgelsen blev udført

Ved at bruge et kompliceret apparat i Andersons laboratorium, kemikerne sigtede en laserstråle for at fordampe palladium, skabe elektrisk ladede, palladium nanopartikler i en damp båret af en strøm af heliumgas.

Elektromagnetiske felter bruges til at fange partiklerne og sende dem gennem et massespektrometer, som kun udvælger størrelsen af ​​palladiumpartikler Anderson og kolleger ønsker at studere. De ønskede partikler aflejres derefter på en enkelt krystal af titaniumoxid, der måler mindre end en halv tomme på en side.

Næste, kemikerne bruger forskellige metoder til at karakterisere prøven af ​​palladiumkatalysatorpartikler:specifikt palladiumkatalysatorens elektroniske egenskaber, fysisk form og kemisk aktivitet.

Leveret af University of Utah (nyheder:web)