优化原子团簇贵金属催化剂以提高性能和节约资源

贵金属催化剂示意图表示

贵金属催化剂的惰性单原子(左)和活性簇(右)的示意图;贵金属:白色;金属载体:黄色;氧气:红色)。资料来源:KIT的Florian Maurer

由于原子的优化分布,生产成本更低

全球使用数十亿贵金属催化剂用于生产化学品,能量产生或清洁空气。但是,此目的所需的资源昂贵,其可用性有限。为了优化资源的使用,已经开发了基于单金属原子的催化剂。Karlsruhe理工学院(KIT)研究团队证明了贵金属原子可以组装在某些条件下形成簇。这些簇比单个原子更具反应,因此,可以更好地除去废气。结果在自然催化中报道。

贵金属催化剂用于广泛的反应。其中,它们在几乎所有燃烧过程中应用以减少污染物排放。通常,它们由非常小的活性组分颗粒组成,例如贵金属,其施加到载体材料上。这些所谓的纳米颗粒由几千金属原子组成。“但外面的原子在反应中处于活跃,而大多数原子仍未使用,”Jan-Dierk Grunwaldt教授从Kit的化学技术和聚合物化学研究所(ITCP)解释。yabovip2021通过改变操作条件,可以改变这种催化剂的结构,因此可以改变其活性。“At high temperatures in the exhaust gas system of a car, which are reached during a longer drive on a motorway, for instance, interaction between the noble metal and carrier may lead to the formation of single atoms, i.e. isolated, separate metal atoms on the carrier,” Grunwaldt says. “Such single-原子催化剂有望对贵金属组分达到很高的利用率,因为理论上所有原子都可以参与反应。”这种期望相反,然而,Grunwaldt的团队,与教授合作创造者沃尔研究所的功能接口的工具和Felix Studt工具包的催化研究和技术研究所发现,这些原子首先要形成贵金属集群在反应条件下变得活跃。

研究人员特别诱导了单原子的形成,并在反应过程中彻底检查了它们的结构。在高度专业化的光谱学和理论计算的帮助下,该团队成功地解释了为什么铂原子经常具有低活性,这是首次用于这类催化剂。“为了转化污染物,它们通常必须与催化剂中的氧气发生反应。为此,这两个组件必须在同一时间和地点,可用为孤立的铂原子无法实现,作为所需的氧气反应太强烈绑定到载体组件——在我们的例子中氧化铈,”说从ITCP Florian毛雷尔,这项研究的主要作者之一。“打破铂-铈氧化物键后,铂原子可以在载体表面移动。下一步,这些铂原子会形成小的铂团簇,在这些铂团簇上发生反应的速度比在单个原子上快得多。”

簇具有高活性的最优结构

该团队的研究证明,纳米颗粒和隔离的原子都不达到最高活动。“最佳位于两者之间。它由小贵金属集群达到,“格兰沃尔德说。“稳定这些贵金属簇可能是在产生催化剂时显着减少贵金属消耗的关键。多年来,贵金属组分的越来越精细地分布是设计新催化剂的主要策略之一。我们的实验现已揭示了原子范围内的极限。“该研究的结果现在将用于基于知识的设计和催化剂的增强稳定性和长期活动的发展。这将是Karlsruhe废气中心的作品的主要重点,其科学主任Maria Casapu博士是该研究的共同作者。

参考:“跟踪CEO上PT单位催化活动的形成,命运和后果2作者Florian Maurer, Jelena Jelic, Junjun Wang, Andreas Gänzler, Paolo Dolcet, Christof Wöll, Yuemin Wang, Felix Studt, Maria Casapu and Jan-Dierk Grunwaldt, 2020年9月21日,自然催化
DOI: 10.1038 / s41929 - 020 - 00508 - 7

1条评论关于“优化原子团簇贵金属催化剂以提高性能和节约资源”

  1. 很有趣。

    更换氧化铈,其中氧气对铈的强烈浓度较轻?

    是否已在原子水平上用其他贵金属取代铂。

    我一直想知道量子级的催化剂是否存在,这将使我们能够弄清楚量子过程如何更有效地用于量子计算,并且还找出了量子信息瞬间在宇宙中分享的机制。

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