Udvikling af en bimetallisk nanokatalysator

(Phys.org) — Snapshots i atomare skala af en bimetallisk nanopartikelkatalysator i aktion har givet indsigt, der kunne hjælpe med at forbedre den industrielle proces, hvorved brændstoffer og kemikalier syntetiseres fra naturgas, kul eller plantebiomasse. Et multinationalt laboratoriesamarbejde ledet af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har taget det mest detaljerede kig nogensinde på udviklingen af ​​platin/kobolt bimetalliske nanopartikler under reaktioner i oxygen og brintgasser.

"Ved brug af in situ aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi (TEM), vi fandt ud af, at under oxidationsreaktionen, koboltatomer migrerer til nanopartikeloverfladen, danner en epitaksial film af koboltoxid, som vand på olie, " siger Haimei Zheng, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne undersøgelse. "Under hydrogenreduktionsreaktionen, kobolt atomer migrerer tilbage til hovedparten, efterlader et monolag af platin på overfladen. Denne atomare information giver et vigtigt referencepunkt for at designe og konstruere bedre bimetalliske katalysatorer i fremtiden."

Zheng, en 2011-modtager af en DOE Office of Science Early Career Award, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Nano bogstaver med titlen "Afsløring af den atomare omstrukturering af Pt-Co nanopartikler." Medforfattere på Berkeley er Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin-Wang Wang, Miquel Salmeron og Gabor Somorjai. Andre medforfattere er Chong-Min Wang og Libor Kovarik, fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Eric Stach fra Brookhaven National Laboratory (BNL), og Arda Genc fra FEI Company i Oregon.

Bimetalliske katalysatorer trækker betydelig opmærksomhed fra den kemiske industri i disse dage, fordi de i mange tilfælde tilbyder overlegne ydelser i forhold til deres monometalliske modstykker. Der er også mulighed for at tune deres katalytiske præstationer til at opfylde specifikke behov. En bimetallisk katalysator af særlig interesse indebærer parring af platin, guldstandarden for monometalliske katalysatorer, med kobolt, en mindre katalysator, men en der er dramatisk billigere end platin. Platin/cobolt-katalysatoren betragtes ikke kun som et modelsystem til undersøgelse af andre bimetalliske nanokatalysatorer, det er også en fremragende fremmer af den meget anvendte Fischer-Tropsch-proces, hvor blandinger af brint og kulilte omdannes til langkædet kulstof til brug som brændstof eller i lavtemperaturbrændselsceller.

"Selvom der har været mange undersøgelser af platin/kobolt og andre bimetalliske katalysatorer, information om, hvordan reaktioner forløber atomisk, og hvordan morfologien ser ud, har manglet, " siger Zheng. "For at erhverve denne information var det nødvendigt at kortlægge de atomare strukturer i reaktive miljøer in situ, hvilket vi gjorde ved hjælp af specialudstyrede TEM'er."

De in situ miljømæssige TEM-eksperimenter blev udført på både Environmental Molecular Sciences Laboratory, som er placeret på PNNL, og på BNL's Center for Funktionelle Nanomaterialer. Ex situ aberrationskorrigeret TEM-billeddannelse blev udført på Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy ved hjælp af TEAM 0.5, verdens mest kraftfulde TEM.

"Dette arbejde er et glimrende eksempel på samarbejde mellem flere institutter, "Siger Zheng. "At have adgang til sådanne avancerede ressourcer og være i stand til at danne så tætte teamsamarbejder styrker vores evne til at tackle udfordrende videnskabelige problemer."

De in situ aberrationskorrigerede TEM-undersøgelser af Zheng og hendes kolleger afslørede, at på grund af et størrelsesmisforhold mellem gitterne af den epitaksiale koboltoxidfilm og platinoverfladen, koboltoxidgitteret er trykspændt ved grænsefladen for at passe på platingitteret. Når belastningsenergien slapper af, koboltoxidfilmen begynder at bryde op for at danne særskilte molekylære øer på platinoverfladen. Dette reducerer det effektive reaktionsoverfladeareal pr. volumen og skaber katalytiske hulrum, som begge påvirker den samlede katalytiske ydeevne.

"Ved at tage denne adskillelse af platin- og koboltatomerne i betragtning, grænsefladebelastningen, der opstår under oxidation, kan forudsiges, " siger Zheng. "Vi kan derefter designe nanopartikelkatalysatorer for at sikre, at materialet med højere katalytisk ydeevne under reaktioner vil være på overfladen af ​​nanopartiklerne."

Zheng tilføjer, at evnen til at observere detaljer i atomare skala af udviklingen af ​​strukturen af ​​nanopartikler i deres reaktive miljøer ikke kun åbner vejen for en dybere forståelse af bimetallisk nanopartikelkatalyse, det giver også mulighed for at studere en bredere række af nanopartikelsystemer, hvor reaktionsveje forbliver uhåndgribelige.