Кластеры благородных металлов могут повысить производительность катализаторов и сэкономить ресурсы

Миллиарды катализаторов из благородных металлов используются во всем мире для производства химикатов, выработки энергии или очистки воздуха. Однако ресурсы, необходимые для этой цели, дороги, а их доступность ограничена. Для оптимизации использования ресурсов были разработаны катализаторы на основе отдельных атомов металла. Исследовательская группа Технологического института Карлсруэ (KIT) продемонстрировала, что атомы благородных металлов могут собираться в кластеры при определенных условиях. Эти кластеры более реактивны, чем отдельные атомы, и, следовательно, выхлопные газы могут быть намного лучше удалены. Результаты опубликованы в Nature Catalysis, сообщает сайт mzhost.ru.

Катализаторы на основе благородных металлов используются для широкого круга реакций. Среди прочего, они применяются почти во всех процессах сжигания для снижения выбросов загрязняющих веществ. Часто они состоят из очень мелких частиц активного компонента, например благородного металла, которые наносятся на материал-носитель. Эти так называемые наночастицы состоят из нескольких тысяч атомов металлов. «Но только внешние атомы активны в реакции, в то время как большинство атомов остаются неиспользованными», - объясняет профессор Ян-Дирк Грюнвальдт из Института химической технологии и химии полимеров (ITCP) KIT. Изменяя условия эксплуатации, можно изменять структуру такого катализатора и, следовательно, его активность. «При высоких температурах в системе выхлопных газов автомобиля, которые достигаются, например, при длительной поездке по автомагистрали,

Исследователи специально индуцировали образование отдельных атомов и тщательно исследовали их структуру во время реакции. С помощью узкоспециализированной спектроскопии и теоретических расчетов, которые были впервые использованы для этого класса катализаторов, команде удалось объяснить, почему атомы платины часто имеют низкую активность. «Чтобы преобразовать загрязняющие вещества, они обычно должны реагировать с кислородом в катализаторе. Для этого оба компонента должны быть доступны в одно и то же время и в одном месте, что не может быть достигнуто для изолированных атомов платины, поскольку кислорода для требуемой реакции слишком много. прочно связан с компонентом-носителем - в нашем случае оксидом церия », - говорит Флориан Маурер из ITCP, один из основных авторов исследования. "После разрыва связей оксида платины и церия, Атомы платины могут перемещаться по поверхности носителя. На следующем этапе эти атомы платины образуют небольшие кластеры платины, на которых реакция происходит намного быстрее, чем на отдельных атомах ".

Кластеры имеют оптимальную структуру для высокой активности

Исследования команды доказывают, что ни наночастицы, ни изолированные атомы не достигают максимальной активности. «Оптимум находится посередине. Его достигают небольшие скопления благородных металлов», - говорит Грюнвальдт. «Стабилизация этих кластеров благородных металлов может быть ключом к значительному сокращению потребления благородных металлов при производстве катализаторов. В течение многих лет одной из основных стратегий при разработке новых катализаторов было все более тонкое распределение компонента благородного металла. Наши эксперименты теперь показали пределы в атомном диапазоне ". Результаты исследования теперь будут использованы для основанного на знаниях дизайна и разработки катализаторов повышенной стабильности и долгосрочной активности. Это будет основным направлением работы Центра выхлопных газов Карлсруэ при KIT, научный руководитель которого д-р Мария Касапу является соавтором исследования.

Предыдущая статья
Следущая статья


Вернуться