Forskere kommer ind på par atomer, der øger katalysatoraktiviteten

Udskiftning af de dyre metaller, der nedbryder udstødningsgasser i katalysatorer med billigere, mere effektive materialer er en topprioritet for forskere, af både økonomiske og miljømæssige årsager. Katalysatorer skal udføre kemiske reaktioner, som ellers ikke ville ske, såsom omdannelse af forurenende gasser fra biludstødning til rene forbindelser, der kan frigives til miljøet. For at forbedre dem, forskere har brug for en dybere forståelse af, hvordan de katalysatorer fungerer.

Nu har et team ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory identificeret præcis, hvilke par atomer i en nanopartikel af palladium og platin - en kombination, der almindeligvis bruges i omformere - er de mest aktive til at nedbryde disse gasser.

De besvarede også et spørgsmål, der har undret katalysatorforskere:Hvorfor virker større katalysatorpartikler nogle gange bedre end mindre, når du forventer det modsatte? Svaret har at gøre med den måde, hvorpå partiklerne ændrer form i løbet af reaktionerne, skabe flere af de meget aktive websteder.

Resultaterne er et vigtigt skridt i retning af konstruktionskatalysatorer for bedre ydeevne i både industrielle processer og emissionskontrol, sagde Matteo Cargnello, en assisterende professor i kemiteknik ved Stanford, der ledede forskergruppen. Deres rapport blev offentliggjort 17. juni i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Det mest spændende resultat af dette arbejde var at identificere, hvor den katalytiske reaktion sker - på hvilke atomsteder du kan udføre denne kemi, der tager en forurenende gas og gør den til harmløst vand og kuldioxid, hvilket er utrolig vigtigt og utroligt svært at gøre, "Cargnello sagde." Nu hvor vi ved, hvor de aktive websteder er, vi kan konstruere katalysatorer, der fungerer bedre og bruger billigere ingredienser. "

Katalysatorer skal udføre kemiske reaktioner, som ellers ikke ville ske, såsom omdannelse af forurenende gasser fra biludstødning til rene forbindelser, der kan frigives til miljøet. I en bils katalysator, nanopartikler af ædle metaller som palladium og platin er fastgjort til en keramisk overflade. Når emissionsgasser strømmer forbi, atomer på overfladen af ​​nanopartiklerne hænger fast i passerende gasmolekyler og tilskynder dem til at reagere med ilt for at danne vand, kuldioxid og andre mindre skadelige kemikalier. En enkelt partikel katalyserer milliarder af reaktioner, før den bliver udmattet.

Dagens katalysatorer er designet til at fungere bedst ved høje temperaturer, Cargnello sagde, derfor kommer de fleste skadelige udstødningsemissioner fra køretøjer, der lige er begyndt at varme op. Med flere motorer designet til at arbejde ved lavere temperaturer, der er et presserende behov for at identificere nye katalysatorer, der fungerer bedre ved disse temperaturer, såvel som i skibe og lastbiler, der sandsynligvis ikke snart vil skifte til elektrisk drift.

Men hvad gør en katalysator mere aktiv end en anden? Svaret har været undvigende.

I dette studie, forskergruppen kiggede på katalysator -nanopartikler lavet af platin og palladium fra to perspektiver - teori og eksperiment - for at se, om de kunne identificere specifikke atomstrukturer på deres overflade, der bidrager til højere aktivitet.

Rundere partikler med hakkede kanter

På teorisiden, SLAC-videnskabsmand Frank Abild-Pedersen og hans forskningsgruppe ved SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis skabte en ny tilgang til modellering af, hvordan eksponering for gasser og damp under kemiske reaktioner påvirker en katalytisk nanopartikels form og atomstruktur. Dette er beregningsmæssigt meget svært, Abild-Pedersen sagde, og tidligere undersøgelser havde antaget, at partikler eksisterede i et vakuum og aldrig blev ændret.

Hans gruppe skabte nye og enklere måder at modellere partikler på i en mere kompleks, realistiske omgivelser. Beregninger fra postdoktorale forskere Tej Choksi og Verena Streibel foreslog, at når reaktionerne fortsætter, de ottesidige nanopartikler bliver rundere, og deres lejlighed, facetlignende overflader bliver til en række hakkede små trin.

Ved at oprette og teste nanopartikler i forskellige størrelser, hver med et andet forhold mellem takkede kanter og flade overflader, holdet håbede at komme i gang med præcis hvilken strukturel konfiguration, og selv hvilke atomer, bidrog mest til partiklernes katalytiske aktivitet.

Lidt hjælp fra vand

Angel Yang, en ph.d. elev i Cargnellos gruppe, lavede nanopartikler af præcist kontrollerede størrelser, der hver indeholdt en jævnt fordelt blanding af palladium og platinatomer. At gøre dette, hun måtte udvikle en ny metode til fremstilling af de større partikler ved at så dem rundt om mindre. Yang brugte røntgenstråler fra SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource til at bekræfte sammensætningen af ​​de nanopartikler, hun lavede med hjælp fra SLACs Simon Bare og hans team.

Derefter kørte Yang eksperimenter, hvor nanopartikler af forskellige størrelser blev brugt til at katalysere en reaktion, der forvandler propen, en af ​​de mest almindelige kulbrinter, der findes i udstødning, til kuldioxid og vand.

"Vand her spillede en særlig interessant og gavnlig rolle, "sagde hun." Normalt forgiftes det, eller deaktiverer, katalysatorer. Men her fik eksponeringen for vand partiklerne til at runde og åbne mere aktive steder. "

Resultaterne bekræftede, at større partikler var mere aktive, og at de blev rundere og mere hakkede under reaktioner, som beregningsundersøgelserne forudsagde. De mest aktive partikler indeholdt den største andel af en bestemt atomkonfiguration - en hvor to atomer, hver omgivet af syv nærliggende atomer, danner par til at udføre reaktionstrinnene. Det var disse "7-7 par", der tillod store partikler at fungere bedre end mindre.

Fremadrettet, Yang sagde, hun håber at finde ud af at frø nanopartikler med meget billigere materialer for at bringe deres omkostninger ned og reducere brugen af ​​sjældne ædle metaller.

Renter fra industrien

Undersøgelsen blev finansieret af BASF Corporation, en førende producent af emissionskontrolteknologi, gennem California Research Alliance, som koordinerer forskning mellem BASF -forskere og syv vestkystuniversiteter, herunder Stanford.

"Dette papir behandler grundlæggende spørgsmål om aktive websteder, med teori og eksperimentelle perspektiver, der kommer sammen på en virkelig flot måde til at forklare de eksperimentelle fænomener. Dette er aldrig blevet gjort før, og derfor er det ganske vigtigt, "sagde Yuejin Li, en ledende hovedforsker ved BASF, der deltog i undersøgelsen.

"Til sidst, " han sagde, "vi ønsker at have en teoretisk model, der kan forudsige, hvilket metal eller en kombination af metaller, der vil have endnu bedre aktivitet end vores nuværende teknik."