Die Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium in Katalysatoren machen die Fahrzeuggeräte attraktiv für Diebe, aber Forscher der University of Central Florida arbeiten daran, die Menge an Edelmetallen zu reduzieren, die in ihnen benötigt wird – bis auf einzelne Atome – bei gleichzeitiger Maximierung ihre Wirksamkeit.
Katalysatoren, die in den 1970er Jahren in amerikanischen Fahrzeugen weit verbreitet waren, verwenden Edelmetalle als Katalysatoren, um dabei zu helfen, tödliche und schädliche Chemikalien aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren zu entfernen. Mit den steigenden Edelmetallpreisen steigt auch die Zahl der Katalysatordiebstähle.
In neueren Studien, die in erscheinen Naturkommunikation und der Zeitschrift der American Chemical SocietyUCF-Forscher zeigten, dass sie jeweils atomares Platin verwenden könnten, um Schadstoffe zu kontrollieren und das System bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben, was entscheidend ist, um schädliche Chemikalien zu entfernen, wenn ein Fahrzeug zum ersten Mal startet.
Feinabstimmung der Position von Platinatomen
Im Naturkommunikation Studie, UCF-Forschungsteams unter der Leitung von Fudong Liu, Assistenzprofessor an der Fakultät für Bau-, Umwelt- und Bauingenieurwesen, und Talat Rahman, angesehener Pegasus-Professor an der Fakultät für Physik, konstruierten erfolgreich einzelne Platinatome mit unterschiedlichen atomaren Koordinationsumgebungen an bestimmten Stellen weiter Ceroxid. Ceroxid ist ein Metalloxid, das zur Verbesserung der katalytischen Reaktionsleistung beiträgt.
Die Platinatome zeigten auffallend unterschiedliche Verhaltensweisen bei katalytischen Reaktionen, wie der Kohlenmonoxidoxidation und der Ammoniakoxidation in einem Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem, sagen die Forscher.
Die Oxidation wandelt tödliches Kohlenmonoxid in Kohlendioxid und schädliches Ammoniak in Stickstoff und Wassermoleküle um.
Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die katalytische Leistung von Einzelatom-Katalysatoren in gezielten Reaktionen maximiert werden kann, indem ihre lokalen Koordinationsstrukturen durch einfache und industriell skalierbare Strategien optimiert werden, sagt Liu.
„Durch die Kombination von Berechnungen der elektronischen Struktur mit hochmodernen Experimenten haben die Teams von Liu und Rahman einen Durchbruch erzielt, der der Gemeinschaft der heterogenen Katalyse bei der Entwicklung hocheffizienter Einzelatom-Katalysatoren für sowohl umwelt- als auch energiebezogene Anforderungen erheblich zugute kommen kann“, sagte Liu sagt.
„Wir haben erfolgreich eine einfache Strategie zur selektiven Feinabstimmung der lokalen Koordinationsumgebung einzelner Platinatome entwickelt, um eine zufriedenstellende katalytische Leistung in verschiedenen Zielreaktionen zu erzielen, was das Verständnis der Einzelatomkatalyse einen bedeutenden Schritt voranbringen wird“, sagt er.
Laut Rahman zeigt ihre gemeinsame Arbeit, wie Theorie und Experimente zusammen mikroskopische Mechanismen enthüllen können, die für die Verbesserung der katalytischen Aktivität und Selektivität verantwortlich sind.
Effizienter Kohlenmonoxid-Oxidationskatalysator
Im Zeitschrift der American Chemical Society Studie verbesserten Liu und Mitarbeiter der Virginia Tech und der Beijing University of Technology die Kohlenmonoxid-Reinigungseffizienz eines Platin-Ceroxid-Aluminiumoxid-Katalysators um das 3,5- bis 70-fache im Vergleich zu den regelmäßig verwendeten Platinkatalysatoren.
Sie taten dies durch die präzise Kontrolle der Koordinationsstrukturen von Platin auf atomarer Ebene auf einem industriell verfügbaren Ceroxid-Aluminiumoxid-Träger.
„Die lokale Struktur des aktiven Zentrums innerhalb eines Katalysators bestimmt seine katalytische Leistung“, sagt Liu. „Die genaue Kontrolle der lokalen Koordinationsstruktur aktiver Zentren und die Aufklärung intrinsischer Struktur-Leistungs-Beziehungen sind jedoch große Herausforderungen im Bereich der heterogenen Katalyse.“
„Wir haben daran gearbeitet, die lokale Koordinationsstruktur von Metallstellen auf atomarer Ebene zu kontrollieren, einen hocheffizienten Katalysator für Reaktionen im Zusammenhang mit der Umweltreinigung zu entwickeln und die Struktur-Leistungs-Beziehung der neu hergestellten Katalysatoren aufzudecken, um das zukünftige Katalysatordesign zu leiten“, er sagt.
Unter Verwendung einer Strategie zur Anreicherung von Oberflächendefekten berichteten Liu und sein Team über die erfolgreiche Herstellung von Platinatom-Einzelschicht- und Platineinzelatom-Strukturen mit präzise kontrollierter lokaler Koordinationsumgebung auf Ceroxid-Aluminiumoxid-Trägern.
Unter Verwendung der ringförmigen Hochwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie beobachtete einer der wichtigsten Co-Autoren, Yue Lu von der Beijing University of Technology, direkt, dass die Platin-Atom-Einzelschicht- und Platin-Einzelatom-Strukturen eine 100%ige Metallexposition aufwiesen eingebettet in ein Ceroxidgitter oder adsorbiert auf einer Ceroxidoberfläche.
Die eingebettete Platinatom-Einzelschichtstelle zeigte die höchste Effizienz bei der Kohlenmonoxidreinigung, die 3,5-mal so hoch war wie die auf der adsorbierten Platinatom-Einzelschicht und 10- bis 70mal so hoch wie die auf Platin-Einzelatomstellen.
In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Hongliang Xin an der Virginia Tech kam das Team sowohl aus experimenteller als auch aus theoretischer Sicht zu dem Schluss, dass die einzigartige eingebettete atomare Platin-Einzelschichtstruktur die Aktivierung von Sauerstoffspezies an der Grenzfläche fördern und somit die Kohlenmonoxidoxidation bei niedrigen Temperaturen fördern könnte.
Die Arbeit ist sehr wichtig, weil sie der Umweltkatalyse-Gemeinschaft helfen wird, aktivere Metallkatalysatoren mit 100 % Metallnutzungseffizienz für gezielte Umweltanwendungen besser zu entwickeln, sagt Liu.
„Wir haben gezeigt, wie man die Strukturen von Einzelatom-, Atomeinzelschicht- und Clusterstellen aus Metall in Reaktionen im Zusammenhang mit der Emissionskontrolle steuert und nutzt und wie man ihre Struktur-Leistungs-Beziehung mit experimentellen und theoretischen Simulationsansätzen versteht“, sagt Liu. „Dies wird den Weg für zukünftiges Umweltkatalysatordesign auf atomarer Ebene ebnen und eine hohe Effizienz in praktischen Anwendungen erreichen.“
Mehr Informationen:
Wei Tan et al, Feinabgestimmte lokale Koordinationsumgebung von Pt-Einzelatomen auf Ceroxid steuert die katalytische Reaktivität, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34797-2
Shaohua Xie et al, Pt Atomic Single-Layer Catalyst Embedded in Defect-Enriched Ceria for Efficient CO Oxidation, Zeitschrift der American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c08902