Termiske stød ved høje temperaturer øger stabiliteten af ​​enkeltatom-katalysatorer

Katalysatorer er i bund og grund boostere, der øger hastigheden af ​​en kemisk reaktion, og er meget udbredt inden for olieraffinering, kul og naturgas konvertering, og ammoniakproduktion, for at nævne et par stykker. Katalysatorer driver også den nye batteri- og brændselscelleteknologi, som normalt er (termisk eller elektrisk) energikrævende, hvilket kræver katalyse for at reducere reaktionstemperaturen, tryk, eller elektrokemiske overpotentialer.

Enkeltatomkatalysatorer maksimerer metaludnyttelseseffektiviteten for hvert atom og giver overlegen ydeevne, repræsenterer grænsen for katalyse. Enkelte atomer, imidlertid, er typisk ustabile, når de syntetiseres ved lav temperatur (f.eks. mindre end 1000K), og har tendens til at re-aggregere til nanopartikler som et middel til at minimere overfladeenergi. Til det formål, et forskerhold i University of Maryland (UMD) Department of Materials Science and Engineering (MSE) udviklede en højtemperatur-chokbølgekatalysemetode – der når op til 3000K, som er halvdelen af ​​solens temperatur - beregnet til at "forankre" enkelte atomer på substratet, giver overlegen termisk stabilitet.

Forskerholdet ledet af MSE professor Liangbing Hu, offentliggjort deres undersøgelse i Natur nanoteknologi den 12. august Yonggang Yao, MSE Ph.D. Studerende og medlem af Dr. Hus forskningsteam, fungerede som hovedforfatter på avisen.

"Vores metode opnås ved hjælp af periodisk tænd-sluk-opvarmning med en kort tændt tilstand (~1500K i 55 ms) og en 10 gange længere off-tilstand (rumtemperatur), " sagde Yao. "Den høje temperatur giver aktiveringsenergi til atomspredning ved at danne stærke metaldefekte bindinger, mens off-state kritisk sikrer den overordnede stabilitet."

Joule-opvarmning blev brugt til at ramme de høje temperaturmærker, og holdet bekræftede syntese ved hjælp af in situ scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). Denne teknik kan bruges i katalytiske reaktioner såsom methankonvertering, som omdanner naturgas til nyttige kemikalier såsom ethylen, ethan og benzen.

"Den rapporterede shockwave-metode er let, ultrahurtig og universel, som åbner en generel vej for fremstilling af et enkelt atom, der er konventionelt udfordrende, " sagde Hu.