Замена дорогих металлов, которые расщепляют отработавших газов в каталитических нейтрализаторах с более дешевыми, более эффективных материалов является приоритетной задачей для ученых, как по экономическим, так и экологическим причинам. Катализаторы необходимы для выполнения химических реакций, что бы не произошло, такие как преобразование загрязняющих газов от автомобильных выхлопных газов в чистый соединениями, которые могут быть выпущены в окружающую среду. Чтобы улучшить их, исследователям необходимо более глубокое понимание того, как именно они катализаторы работают.
Теперь команда из Стэнфордского университета и Национальной лабораторией Министерства энергетики ускорителе SLAC ускоритель определил, какие именно пары атомов в наночастицы палладия и платины сочетание часто используется в преобразователях — являются наиболее активными в преодолении этих газов.
Они также ответили на вопрос, который озадачил исследователей катализатора: почему иногда более крупные частицы катализатора работают лучше, чем мелкие, когда вы ожидаете наоборот? Ответ на этот вопрос с тем, как изменить форму частиц в ходе реакции, создавая более из этих весьма активных сайтов.
Полученные результаты являются важным шагом на пути технических катализаторов для лучшей производительности в обоих производственных процессов и контроля выбросов, сказал Маттео Cargnello, доцент кафедры химической инженерии в Стэнфорде, который возглавлял исследовательскую группу. Их отчет был опубликован 17 июня в Трудах Национальной академии наук.
«Самое захватывающее результате этой работы было определить, где происходит каталитическая реакция — на которой атомные сайты вы можете проанализировать эту химию, которая принимает загрязняющих газов и превращает их в безвредные воду и углекислый газ, который является невероятно важным и невероятно трудно сделать», — сказал Cargnello. «Теперь, когда мы знаем, где активные центры, мы можем спроектировать катализаторы, которые работают лучше и использовать менее дорогие ингредиенты.»
В автомобиле каталитического нейтрализатора, наночастицы благородных металлов, таких как палладий и платину крепятся к керамической поверхности. Как выхлопов потока, атомы на поверхности наночастиц зацепиться прохождения молекул газа и поощрять их, чтобы реагировать с кислородом с образованием воды, углекислого газа и других менее вредных химикатов. Одной частицы катализирует миллиарды реакций, прежде чем истощаются.
Сегодня каталитические нейтрализаторы предназначены для наилучшей работы при высоких температурах, сказал Cargnello, который является, почему большинство вредных выбросов приходят с средствами, которые только начинают разминаться. С более двигатели предназначены для работы при более низких температурах, есть настоятельная необходимость выявления новых катализаторов, которые работают лучше при тех температурах, а также на судах и грузовых автомобилей, которые вряд ли перейдут в ближайшее время электрической работы.
Но что делает катализатор более активен, чем другой? Ответ был уклончив.
В этом исследовании, исследователи посмотрел на катализатор наночастиц платины и палладия с двух точек зрения-теории и эксперимента, чтобы увидеть, если они могли бы определить конкретные атомных структур на их поверхности, что способствует повышению активности.
Частицы руки с неровными краями
На стороне теории, ускорителе SLAC научный сотрудник Фрэнк Abild-Педерсен и его исследовательской группой в центре сайт suncat науки интерфейс и катализа создали новый подход для моделирования способов воздействия газов и паров в химических реакциях, влияет на формирование каталитических наночастиц и атомной структуры. Это вычислительно очень сложно, Abild-Педерсен сказал, и предыдущие исследования предполагали, существовал частиц в вакууме и никогда не менял.
Его группа создали новые и более простые пути для моделирования частиц в более сложной, реалистичной среде. Расчеты по постдокторских исследователей Тедж Choksi и Верена Streibel предположил, что в качестве реакции протекают, восьмигранный наночастиц становятся все круглее, а их плоские, фасеточные, как покрытия серии неровные шажки.
Создав и протестировав наночастиц разного размера, с разным соотношением неровными краями на плоских поверхностях, что команда надеется на какие именно структурные конфигурации, и даже атомы, внес наибольший вклад в каталитическую активность частиц.
Небольшая помощь от воды
Ангел Янг, аспирант в группе Cargnello, сделал наночастиц точно контролировать размеры, что каждый содержит равномерно распределенные смеси палладия и атомов платины. Для этого ей пришлось разработать новый метод для более крупных частиц путем высева их вокруг более мелкие. Ян использовал рентгеновские лучи от ускорителе SLAC в Стэнфорде синхротронного излучения источник света, чтобы подтвердить состав наночастицы она сделала с помощью ускорителе SLAC Симон чуть-чуть и его команда.
Затем Ян побежал экспериментов, в которых наночастицы разных размеров были использованы для того чтобы катализировать реакцию, которая получается пропен, одним из наиболее распространенных углеводородов, присутствующих в выхлопных газах, в углекислый газ и воду.
«Вода здесь играет особенно интересные и благотворную роль», — сказала она. «Обычно это яды, или отключает, катализаторы. Но здесь воздействие воды частицы круглее и открыл более активных местах.»
Полученные результаты подтвердили, что более крупные частицы были более активны и, что они стали круглее и больше, зазубренных в ходе реакций, как и расчетные исследования предсказывалось. Наиболее активные частицы, содержащиеся наибольший удельный вес одной конкретной атомной конфигурации-в одном случае два атома, каждый из которых окружен семи соседними атомами, образуют пары, чтобы осуществить шаги реакции. Именно эти «пары 7-7», что позволило большие частицы лучше, чем мелкие.
Забегая вперед, сказал Ян, она надеется выяснить, как семя наночастиц с гораздо более дешевыми материалами, к снижению стоимости и сокращению использования редких драгоценных металлов.
Интерес со стороны промышленности
Исследование финансировалось корпорацией «БАСФ», ведущий производитель технологий контроля выбросов, с помощью калифорнийского Исследовательского Союза, который координирует исследования между учеными BASF и семь западном побережье университетов, включая Стэнфорд.
«Этот документ является решение фундаментальных вопросов о активных сайтов, с теорией и экспериментальной точек зрения объединяются в действительно хороший способ, чтобы объяснить экспериментальные явления. Это никогда не было сделано раньше, и поэтому это довольно значительный», — сказал Yuejin ли, старшим ученый с BASF, которые участвовали в исследовании.
«В конце концов,» сказал он, «мы хотим иметь теоретическую модель, которая может предсказать, какой металл или сочетание металлов будет иметь даже лучшую активность, чем наше нынешнее состояние искусства».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!