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 металла. «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). Изменяя условия эксплуатации, можно изменять структуру такого катализатора и, следовательно, его активность. «При высоких температурах в выхлопной системе автомобиля, которые достигаются, например, во время более продолжительной езды по автомагистрали, взаимодействие между благородным металлом и носителем может привести к образованию отдельных атомов, т.е.е. изолированные, отдельные атомы металла на носителе ", – говорит Грюнвальдт. "Можно ожидать, что такие одноатомные катализаторы достигнут очень высокой степени использования компонентов благородных металлов, потому что все атомы теоретически могут участвовать в реакции.Однако, вопреки этим ожиданиям, группа Грюнвальдта в сотрудничестве с профессорами Кристофом Воллем из Института функциональных интерфейсов KIT и Феликсом Стадтом из Института исследований и технологий катализа KIT обнаружила, что эти атомы сначала должны образовать благородный металл. кластеры в условиях реакции, чтобы стать активными.
Исследователи специально индуцировали образование отдельных атомов и тщательно исследовали их структуру во время реакции. С помощью высокоспециализированной 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 кислород для требуемой реакции слишком сильно связан с компонентом-носителем – в нашем случае оксидом церия », – говорится в сообщении. Флориан Маурер из ITCP, один из основных авторов исследования. "После разрыва связей платина-оксид 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 между. Это достигается небольшими скоплениями благородных металлов », – говорит Грюнвальдт. "Стабилизация этих кластеров благородных металлов может быть ключом к существенному сокращению потребления благородных металлов при производстве катализаторов.
В течение многих лет все более мелкое распределение компонента благородного металла было одной из основных стратегий при разработке новых катализаторов. Наши эксперименты теперь показали пределы в атомном диапазоне.«Результаты исследования теперь будут использоваться для основанного на знаниях дизайна и разработки катализаторов повышенной стабильности и долгосрочной активности. Это будет одним из основных направлений работы Центра выхлопных газов Карлсруэ при KIT, научный директор которого д-р.
Мария Касапу, соавтор исследования.