Hvorfor størrelse betyder noget for guld som katalysator

The Choice is Ours (2016) Official Full Version (Juni 2019).

Anonim

Guld er det ædle metal - det mest modstandsdygtige over for oxidation. Nano-størrelse guld har imidlertid en enestående evne til at fungere som katalysator, selv ved lave temperaturer. Den underliggende mekanisme for denne størrelsesafhængige ændring i egenskaber har forvirret forskere, da fænomenet blev opdaget i slutningen af ​​1980'erne.

Et team af forskere, herunder Yingge Du, Chongmin Wang og Jun Li fra Pacific Northwest National Laboratory, satte op for at løse dette spørgsmål ved hjælp af state-of-the-art aberration-korrigeret miljøoverførselselektronmikroskopi. Deres arbejde har afsløret ny indsigt i de ekstraordinære katalytiske egenskaber ved ultrasmall guldpartikler, når de udsættes for reaktantgas. Detaljer om deres resultater er blevet offentliggjort i en Proceedings of the National Academy of Sciences med titlen "Størrelsesafhængige dynamiske strukturer af understøttede guld nanopartikler i CO oxidationsreaktionstilstand."

In situ undersøgelser af ultrasmall-guldklynger i et reaktivt miljø har været mangelfuld, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere oprindelsen af ​​størrelseseffekten i katalyse. Denne undersøgelse brugte in situ transmissionselektronmikroskopi for at afsløre, at guldnanopartikler, når de er isoleret ned til en kritisk størrelse, undergår dynamiske strukturændringer under de katalytiske arbejdsvilkår, og alle guldatomer i en klynge kan aktiveres for at fremme de katalytiske reaktioner. Bevis for transformationen ved denne ultrasmall-skala kan kun opnås ved in situ og operando karakterisering.

Dette fund udfordrer den klassiske tænkning, at guld som katalysator bevarer den samme struktur mellem statiske og katalytiske forhold. Faktisk kan disse ellers stabile ultrasmall-guldklynger transformere til en metastabil fase. Resultaterne tyder også på, at nanokatalysatorerne kan fungere som dynamisk dannede enkeltatomskatalysatorer, et koncept, der har fremkaldt bemærkelsesværdig nylig interesse for katalysatorfællesskabet.

"De detaljerede struktur-stabilitets-ejendomsforhold, der er etableret her, kan føre til et paradigmeskifte i at designe atomeffektive katalysatorer, " siger Wang.

Ultrasmall-guldklynger understøttet på enkeltkrystalliske ceria (CeO2 (111)) tynde film blev udsat for reaktantkulmonoxid og oxygen (CO + 02) gas ved anvendelse af in situ miljøelektronmikroskopi kombineret med beregningsmodellering og ab initio molekylærdynamik simuleringer. Forskerne observerede forskellige strukturelle reaktioner på reaktantgasen afhængigt af størrelsen af ​​nanopartikelen. I sin ultrasmall-form (tiere af atomer) viste en guld nanopartikler sig dynamiske strukturændringer under den katalytiske arbejdstilstand; den indre struktur gik tabt og klyngerne blev uorden, mens dynamiske lavkoordinerede atomer dannede sig på overfladen. Ab initio molekylære dynamik simuleringer bekræftede disse observationer og afslørede yderligere, at dannelsen af ​​dynamiske lavkoordinerede atomer via guldcarbonylarter kunne fungere som dynamiske aktive centre for CO-oxidation.

For lidt større nanopartikler (op til et par hundrede atomer) transformerede den ellers stabile ansigtscentrerede kubiske struktur til en uordnet struktur under CO og O 2 eksponering, som blev flydende og dannede samtidig lavkoordinerede guldatomer.

I modsætning hertil bevarede de større nanopartikler deres struktur, mens de gennemgik lokaliserede overfladekonstruktioner.

Den størrelsesafhængige strukturelle reaktion på reaktantgas, især generering af dynamiske lavkoordinerede Au-atomer i ultra-små guldpartikler, kan effektivt øge reaktionen gennem simpel transport af CO til reaktionsstederne og dermed afgrænse en grundårsag til hvorfor små størrelser betyder noget for guldkatalyse og hvorfor større guld nanopartikler er tilbøjelige til at blive inerte.

Holdet mener, at der skal gøres mere arbejde for at undersøge, hvordan guldnanopartikler ændrer sig fra deres bestilte struktur til en uordnet struktur, og at forstå, om denne størrelseseffekt også findes i andre katalytiske systemer. De søger yderligere midler og ressourcer til at støtte udvidet forskning på dette område.

menu
menu