Новый метод закрепления одиночных атомов металлов платиновой группы на островках нанометрового размера позволяет эффективно использовать эти дорогостоящие металлы в качестве катализаторов для широкого спектра применений.
Сообщая в журнале Nature, исследователи показали, что атомы платины могут быть заключены на небольших островках оксида церия внутри пористого материала, чтобы катализировать реакции, не прилипая друг к другу, что было основным камнем преткновения для их использования. Исследование проводилось под руководством профессора Университета штата Аризона Цзиньюэ Лю, Калифорнийского университета в Дэвисе, профессора Брюса Гейтса и профессора Университета штата Вашингтон Ен Вана.
«Стабилизация драгоценных металлов, позволяющая каждому атому быть катализатором, является святым граалем в области катализа», — сказал Ван, профессор-регент Школы химической инженерии и биоинженерии имени Джин и Линды Войланд ВГУ и научный сотрудник Тихоокеанской северо-Западной национальной лаборатории. «Мы не только используем наименьшее количество металлов платиновой группы, но и делаем каждый атом намного более реактивным».
Катализаторы, ускоряющие химические реакции, являются ключевыми в технологиях, используемых при производстве химикатов и топлива, а также для очистки загрязняющих веществ, включая выхлопные газы легковых и грузовых автомобилей и электростанций, работающих на ископаемом топливе. Многие катализаторы содержат драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий, которые чрезвычайно дороги.
Исследователи в начале 1990-х годов начали изучать, как изолировать атомы металлов в качестве катализаторов, но они не смогли стабилизировать их при высоких температурах, необходимых для каталитических нейтрализаторов и других практических применений. Как только атомы металла подвергаются воздействию условий, необходимых для протекания реакций, они имеют тенденцию слипаться.
Исследовательская группа решила эту проблему, диспергировав атомы металла внутри островков оксида церия нанометрового размера. Многочисленные островки расположены на коммерческом носителе из диоксида кремния, который широко используется во многих распространенных каталитических реакциях, но атомы металла исключены из носителя. Благодаря своей чрезвычайно высокой площади поверхности диоксид кремния способен закреплять очень большое количество островков, удерживающих атомы металла в пределах небольшого объема. Оксид церия прилипает, как клей, к диоксиду кремния и плотно удерживает отдельные атомы металла, чтобы они не разбрелись в поисках друг друга, не слиплись и не стали неэффективными.
Исследователи обнаружили, что атомы металла, удерживаемые островками, стабильны в катализирующих реакциях как в окислительных, так и в восстановительных условиях. Окисление, при котором к веществу добавляется кислород, используется в технологии контроля выбросов для удаления вредного монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Восстановление, при котором водород присутствует и вступает в реакцию с другими молекулами, используется для многих промышленных применений, в том числе для производства топлива, удобрений и лекарств.
«Атомная точность изготовления новых катализаторов может открыть возможности для разработки катализаторов с беспрецедентной гибкостью в размещении целевого количества атомов на каждом островке», — сказал Гейтс. «Это позволяет нам исследовать реакционную способность и идентифицировать наиболее реактивные виды — чтобы выяснить, какие структуры и конфигурации наиболее эффективны».
Исследователи надеются продолжить изучение этого подхода для широкого спектра каталитических применений.
«Эта работа дает научному сообществу новый инструмент в наборе инструментов для понимания требований к каталитическому участку для конкретных реакций, представляющих интерес, и для разработки новых высокоактивных и стабильных катализаторов», — сказал Лю. «Это создает огромные возможности для каталитических технологий и приближает атомарно-диспергированные металлические катализаторы на один важный шаг к практическому применению».
Работа финансировалась Отделом химии Национального научного фонда и Отделом фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США по химическим наукам, геонаукам и биологическим наукам в рамках Научной программы по катализу.
изменить ситуацию: спонсируемая возможность
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!