Nanoskala topcoat kan turbolade understøttede guld nanopartikelkatalysatorer

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har udviklet en måde at tilføje enkelte nanoplader af blandet metaloxid til guldnanopartikler understøttet på silica for at øge deres katalytiske aktivitet.

Ved at konvertere carbonmonoxid til carbondioxid fandt de ud af, at den temperatur, der kræves til reaktionen, var stærkt reduceret, med betydelige forbedringer i forhold til eksisterende metoder til belægning af guld/silica-strukturer. Metoden baner vejen for udviklingen af ​​en bred vifte af nye højtydende katalysatorer. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet ACS Applied Materials &Interfaces .

Guldnanopartikler, partikler mindre end fem nanometer i diameter, er kendt for at være fremragende katalysatorer til kemiske reaktioner, især oxidationsreaktioner som omdannelsen af ​​skadelig kulilte til kuldioxid. Effekten er udtalt, når de er monteret på metalliske oxider som cobaltoxid, som er mere tilbøjelige til at gennemgå den modsatte reaktion, dvs. reducerbare oxider.

Desværre er ikke alle metaloxider reducerbare. Nanopartikler monteret på irreducerbare oxider som for eksempel silica udgør ikke en effektiv katalysator. I betragtning af den overflod af silica på vores planet, ville en måde at forbedre ydeevnen af ​​sådanne materialer på i høj grad øge industriel anvendelse.

Dette har fået forskere til at lede efter måder, de kan modificere understøttede katalysatorer for at forbedre deres ydeevne.

Nu har et hold ledet af lektor Tamao Ishida fra Tokyo Metropolitan University fundet frem til en metode til at deponere enkelte nanoplader af blandede metaloxider (MMO'er) ved hjælp af lagdelte dobbelthydroxider (LDH'er).

LDH'er består af metalhydroxidnanoplader med nogle af metalionerne substitueret med metalioner med en højere ladning, hvilket giver selve arket en positiv nettoladning; ark er bundet sammen af ​​negative ioner. Det er vigtigt, at individuelle nanoark kan eksfolieres og bruges separat.

I denne undersøgelse coatede holdet guldnanopartikler understøttet på silica, en negativt ladet struktur, med positivt ladede LDH nanoplader bestående af aluminium og en række andre metaller, og udsatte dem derefter for høje temperaturer (kalcinering) for at danne et MMO-nanolag.

Ved at observere deres nye katalysator ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi fandt de ud af, at nanopartiklerne var belagt med et lag på mindre end en nanometer i tykkelse. For at teste deres præstationer brugte holdet dem til at omdanne kulilte til kuldioxid.

Mens guldnanopartikler på silica kun havde en konverteringsrate på omkring 20% ​​selv ved 300° Celsius, viste deres nye katalysator 50% konverteringsrate ved kun 50° Celsius, en reduktion på mere end 250° Celsius. Det viste sig også at overgå populære "imprægneringsmetoder" til MMO-belægning.

Interessant nok blev det fundet, at tykkere MMO-lag førte til dårligere ydeevne:den høje ydeevne kommer fra at have en sub-nanometer-belægning. Ved at se nærmere på et MMO-lag af koboltaluminium fandt de en overflod af iltdefekter i laget; holdet konkluderede, at den tætte synergi mellem dette defektfyldte lag og guldoverfladen var det, der gav anledning til den øgede aktivitet.

Den nye katalysator opnåede enestående ydeevne med meget lave niveauer af koboltinkludering, mindre end 0,3 vægt%. Resultaterne baner vejen for anvendelse på en lang række andre materialer og en hel familie af nye, højtydende katalysatorer.

Flere oplysninger: Kaho Okayama et al., Dekoration af guld- og platinnanopartikelkatalysatorer med 1 nm tykt metaloxidoverlag og dets effekt på CO-oxidationsaktiviteten, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Tokyo Metropolitan University