For platinkatalysatorer, mindre kan være bedre

Når det kommer til metalkatalysatorer, platinstandarden er, godt, platin! Imidlertid, til omkring $2, 000 en ounce, platin er dyrere end guld. De høje omkostninger ved råmaterialet udgør store udfordringer for den fremtidige brede anvendelse af platin i brændselsceller. Forskning ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tyder på, at en mulig måde at imødekomme disse udfordringer på er at tænke småt - virkelig småt.

En undersøgelse ledet af Gabor Somorjai og Miquel Salmeron fra Berkeley Labs Materials Sciences Division viste, at under højt pres, sammenlignelig med det pres, som mange industrielle teknologier fungerer ved, nanopartikelklynger af platin kan potentielt udkonkurrere de enkeltkrystaller af platin, der nu bruges i brændselsceller og katalytiske konvertere.

"Vi har opdaget, at tilstedeværelsen af ​​carbonmonoxid-molekyler reversibelt kan ændre de katalytiske overflader af platin-enkeltkrystaller, angiveligt den mest termodynamisk stabile konfiguration for en platinkatalysator, " sagde Somorjai, en af ​​verdens førende eksperter i overfladekemi og katalyse. "Dette indikerer, at under højtryksforhold, enkeltkrystaller af platin er ikke så stabile som nanoklynger, som faktisk bliver mere stabiliseret, da kuliltemolekyler co-adsorberes sammen med platinatomer."

"Vores resultater viser også, at begrænsningerne ved traditionelle overfladevidenskabelige teknikker kan overvindes ved brug af teknikker, der fungerer under realistiske forhold, siger Salmeron, en førende autoritet inden for overfladebilleddannelse og udvikler af in situ billeddannelse og spektroskopiske teknikker, der anvendes i denne undersøgelse. Han er også direktør for Berkeley Labs Materials Sciences Division.

I dette studie, enkeltkrystal platinoverflader blev undersøgt under højtryk. Overfladerne var struktureret som en række flade terrasser omkring seks atomer brede adskilt af atomare trin. Sådanne strukturelle træk er almindelige i metalkatalysatorer og anses for at være de aktive steder, hvor katalytiske reaktioner forekommer. Enkeltkrystaller bruges som modeller for disse funktioner.

Somorjai og Salmeron belagte platinoverfladerne i denne undersøgelse med kulilte, en reaktant involveret i mange vigtige industrielle katalytiske processer, herunder Fischer-Tropsch-processen til fremstilling af flydende kulbrinter, oxidationsprocessen i bilkatalysatorer, og nedbrydning af platinelektroder i brintbrændstofceller. Da kuliltedækningen af ​​platinkrystaloverfladerne nærmede sig 100 procent, terrasserne begyndte at udvide sig - resultatet af stigende lateral frastødning mellem molekylerne. Når overfladetrykket nåede en torr, terrasserne sprækkes i nanometerstore klynger. Terrasserne blev gendannet efter fjernelse af kuliltegassen.

"Vores observationer af den storstilede overfladeomstrukturering af trindelt platin fremhæver den stærke forbindelse mellem dækning af reaktantmolekyler og den atomare struktur af katalysatoroverfladen, " siger Somorjai. "Evnen til at observere katalytiske overflader på atomare og molekylære niveauer under faktiske reaktionsbetingelser er den eneste måde, et sådant fænomen kan påvises."

Katalysatorer - stoffer, der fremskynder hastigheden af ​​kemiske reaktioner uden selv at blive kemisk ændret - bruges til at igangsætte praktisk talt enhver industriel fremstillingsproces, der involverer kemi. Metalkatalysatorer er arbejdshestene, hvor platin er en af ​​de bedste. Industrielle katalysatorer fungerer typisk under tryk, der spænder fra millitorr til atmosfærer, og ved temperaturer fra stue til hundredvis af grader Celsius. Imidlertid, overfladevidenskabelige eksperimenter er traditionelt blevet udført under høje vakuumforhold og lave temperaturer.

"Sådanne forhold vil sandsynligvis hæmme enhver overfladeomstruktureringsproces, der kræver overvindelse af selv moderate aktiveringsbarrierer, " siger Somorjai.

siger Salmeron, "Det ubesvarede spørgsmål i dag er, hvad er geometrien og placeringen af ​​katalysatoratomerne, når overfladerne er dækket af tætte lag af molekyler, som sker under en kemisk reaktion. "

Somorjai og Salmeron har i mange år samarbejdet om udvikling af instrumentering og teknikker, der gør dem i stand til at lave katalyseundersøgelser under realistiske forhold. De har nu til deres rådighed unikke højtryks scanning tunneling mikroskoper (STM) og en omgivende tryk røntgen fotoelektron spektroskopi (AP-XPS) strålelinje, der opererer ved Berkeley Labs avancerede lyskilde, en førende kilde til synkrotronstråling til videnskabelig forskning.

"Med disse to ressourcer, vi kan afbilde atomstrukturen og identificere den kemiske tilstand af katalysatoratomer og adsorberede reaktantmolekyler under industrielle tryk og temperaturer, " siger Salmeron.

STM-billeder afslørede dannelsen af ​​nanoclusters på platinkrystaloverfladerne, og AP-XPS-spektrene afslørede en ændring i carbonmonoxidelektronbindingsenergier. Et efterfølgende samarbejde med Lin-Wang Wang, en teoretiker i Berkeley Labs Computational Sciences Division, forklaret ændringen i strukturen som et resultat af afslapningen af ​​den stærke frastødning mellem kuliltemolekyler, der opstår fra deres meget høje tæthed på overfladen, når de er i ligevægt med forhøjede tryk af gassen.

"I fremtiden, brugen af ​​disse stabile platin-nanoklynger som brændselscellekatalysatorer kan bidrage til at øge ydeevnen og reducere omkostningerne, " siger Somorjai.

Det næste trin for Somorjai og Salmeron og deres forskerhold vil være at afgøre, om andre adsorberede reaktanter, såsom oxygen eller brint, også resultere i skabelsen af ​​nanoclusters i platin. De ønsker også at vide, om nanoclusters også kan induceres i andre metalkatalysatorer, såsom palladium, sølv, kobber, rhodium, jern og kobolt.

"Hvis denne nanoclustering er et generelt fænomen, det vil have store konsekvenser for den type strukturer, som katalysatorer skal have under højt tryk, katalytiske reaktionsbetingelser ved høj temperatur, " siger Somorjai.