科学家锁定了促进催化剂活性的原子对

催化剂中最活跃的原子对

在SLAC和斯坦福的一项研究中,理论主义者预测,由钯和铂(剩下)制成的催化剂纳米颗粒将在某些化学反应(中间)中形成圆角,产生具有特别活性催化位的成对原子的阶梯状特征。实验和电子显微镜图像像正确的图像确认这是这种情况,对催化剂的工作方式提供了新的了解。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

他们发现化学反应的凌乱环境实际上可以改变催化纳米颗粒的形状,使其更加活跃。

从经济和环境两方面考虑,科学家们的首要任务是用更便宜、更有效的材料取代催化转换器中分解废气的昂贵金属。为了改进它们,研究人员需要更深入地了解它们催化剂是如何工作的。

现在,斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的一个研究小组已经准确地确定了钯和铂的纳米粒子——一种通常用于转换器的组合——中哪对原子对在分解这些气体时最活跃。

他们还回答了一个令人困惑的催化剂研究人员的问题:为什么较大的催化剂颗粒有时会比较小的催化剂颗粒更好,当你期待相反?答案与粒子在反应过程中改变形状的方式有关,从而创造更多的高度活跃点。

斯坦福大学的化学工程助理教授Matteo Cargnello领导了这个研究小组,他说,这个结果是在工业过程和排放控制中提高催化剂的性能方面迈出的重要一步。他们的报告于2020年6月17日发表美国国家科学院院刊

“这项工作的最令人兴奋的结果是鉴定催化反应发生的位置 - 在哪些原子位点,您可以进行这种化学物质,这些化学物质采用污染气体,并将其转化为无害的水和二氧化碳,这非常重要,化难以理解,yabovip2021“Cargnello说。“现在我们知道活动网站的位置,我们可以工程师催化剂更好地工作,并使用更便宜的成分。”

催化反应可以改变催化剂

在SLAC和斯坦福的一项研究中,理论主义者预测,由钯和铂(剩下)制成的催化剂纳米颗粒将在某些化学反应(中间)中形成圆角,产生具有特别活性催化位的成对原子的阶梯状特征。实验和电子显微镜图像像正确的图像确认这是这种情况,对催化剂的工作方式提供了新的了解。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

需要催化剂来进行化学反应,否则就不会发生,比如将汽车尾气中的污染气体转化为可以释放到环境中的清洁化合物。在汽车的催化转换器中,贵金属纳米颗粒如钯和铂被附着在陶瓷表面上。当排放气体流经时,纳米粒子表面的原子会抓住路过的气体分子,促使它们与氧气发生反应,形成水、二氧化碳和其他危害较小的化学物质。一个粒子在耗尽之前可以催化数十亿次反应。

Cargnello说,今天的催化转换器被设计成在高温下工作最好,这就是为什么大多数有害废气来自刚刚开始升温的车辆。随着越来越多的发动机被设计成在较低温度下工作,迫切需要找到在这种温度下性能更好的新催化剂,同时也需要在短期内不太可能转换为电力操作的船舶和卡车上找到新的催化剂。

但是是什么让一种催化剂比另一种更有活性呢?答案一直难以捉摸。

在这项研究中,研究小组从理论和实验两个角度观察了由铂和钯制成的催化剂纳米颗粒,看看他们是否能够识别其表面的特定原子结构,从而提高活性。

带锯齿状边缘的圆角粒子

在理论方面,SLAC的科学家Frank Abild-Pedersen和他在SUNCAT界面科学和催化中心的研究小组创造了一种新的方法来模拟在化学反应中暴露在气体和蒸汽中如何影响催化纳米颗粒的形状和原子结构。这在计算上是非常困难的,Abild-Pedersen说,以前的研究假设粒子存在于真空中并且从未改变。

他的团队在更复杂,现实的环境中创造了新的和更简单的方式来模拟粒子。博士后研究人员的计算Tej Choksi和Verena Streibel建议,随着反应进行的,八面纳米粒子变成圆角,并且它们的平面,刻面表面成为一系列锯齿状的小步骤。

通过制造和测试不同尺寸的纳米粒子,每一种纳米粒子的锯齿边缘和平面的比例都不同,该团队希望准确地确定哪种结构配置,甚至是哪种原子,对粒子的催化活性贡献最大。

一点水的帮助

Angel Yang是Cargnello组的博士学生,制成了精确控制的尺寸的纳米粒子,每个含量含有普及钯和铂原子的均匀分布。为此,她必须通过将它们围绕较小的方式开发一种制作较大粒子的新方法。杨使用SLAC的斯坦福同步辐射源的X射线束,以确认她用SLAC的SIMON BALL和他的团队提供帮助的纳米粒子的组成。

随后,杨进行了实验,用不同大小的纳米颗粒催化将废气中最常见的碳氢化合物之一丙烯转化为二氧化碳和水的反应。

“这里的水发挥了特别有趣和有益的作用,”她说。“通常它会使催化剂中毒或失活。但在这里,接触水使粒子更圆,打开了更多的活性位点。”

结果证实,正如计算研究预测的那样,较大的粒子更活跃,在反应过程中它们变得更圆,更参差不齐。最活跃的粒子包含一种特定原子结构的最大比例——其中两个原子,每个被七个相邻的原子包围,形成成对进行反应步骤。正是这些“7-7对”粒子使得大粒子比小粒子表现得更好。

她说,展望未来,她希望找到用更便宜的材料来植入纳米粒子的方法,从而降低成本,减少稀有贵金属的使用。

来自行业的兴趣

这项研究是由排放控制技术的领先制造商巴斯夫公司(BASF Corporation)通过加州研究联盟(California research Alliance)资助的,该联盟协调巴斯夫的科学家和包括斯坦福在内的七所西海岸大学的研究。

“这篇论文旨在解决有关活性位点的基本问题,将理论和实验观点结合起来,以一种非常好的方式来解释实验现象。这是前所未有的,这也是它意义重大的原因,”参与这项研究的巴斯夫公司高级首席科学家李跃进说。

“最后,”他说,“我们希望有一个理论模型,可以预测什么金属或金属的组合将有比我们目前的技术更好的活性。”

参考:“揭示均匀纳米晶催化剂的催化燃烧活性中心的结构和理论见解”,作者:anchih Yang, Tej Choksi, Verena Streibel, Hassan Aljama, Cody J. Wrasman, Luke T. rolling, Emmett D. Goodman, Dionne Thomas, Simon R. Bare, Roel S. Sánchez-Carrera, Ansgar Schäfer, Yuejin Li,Frank Abild-Pedersen和Matteo Cargnello, 2020年6月17日,美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2002342117

斯坦福同步辐射光源是美国能源部科学办公室的用户设施。SUNCAT是SLAC和斯坦福工程学院的合作伙伴,得到了能源部科学办公室的支持。

4评论关于“科学家锁定促进催化剂活性的原子对”

  1. 好的,这款催化剂的问题是非常关键的东西,因为我们真的需要能够让自己因特异性汽车催化剂的铂族群金属而受到防止这种需求
    我们需要使用更便宜更丰富的金属,来获得同样的效果
    良好的效果。这应该是研究的核心所在,用普通金属做电池也是一样的,所以我们在纯电动汽车上依赖进口锂
    用于其他设备的性能电池。直到我们有了太空采矿舰队,可以采矿
    氦3在月球和其他地方,然后到达火星看看那里可以提取什么,然后
    还有火星和木星之间的小行星场我们必须聪明地寻找
    最昂贵和最稀缺的材料的最佳替代品。

  2. 我也使用除铑和铂之外的不同材料,以创造活跃的部位,以在燃烧之前处理液体燃料,从而产生更清洁的废气膨胀。

  3. 的家。你是说磨练吗?

  4. 他们引入了一些我们没有概念的设计因素,这变成了一种愉快的触摸。jwwaterhouse.org

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