Die Chemie- und Energieindustrie sind auf Katalysatoren angewiesen, um die Reaktionen voranzutreiben, die zur Herstellung ihrer Produkte erforderlich sind. Bei vielen wichtigen Reaktionen kommen heterogene Katalysatoren zum Einsatz, d. h. die Katalysatoren befinden sich in einem anderen Aggregatzustand als die Stoffe, mit denen sie reagieren. So reagiert beispielsweise festes Platin mit Gasen im Katalysator eines Autos.
Wissenschaftler haben die Oberfläche wohldefinierter Einkristalle untersucht und so die Mechanismen aufgedeckt, die vielen chemischen Reaktionen zugrunde liegen. Doch es gibt noch viel mehr zu lernen. Bei heterogenen Katalysatoren waren ihre dreidimensionale Atomstruktur, ihre chemische Zusammensetzung und die Art ihrer aktiven Zentren, an denen Reaktionen stattfinden, lange Zeit unbekannt.
Im Rahmen einer von Mitgliedern des California NanoSystems Institute an der UCLA geleiteten Forschungsarbeit wurden nun die dreidimensionalen Atomkoordinaten sowie die chemische Zusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung heterogener Nanokatalysatoren ermittelt – mit Größen im Milliardstel Meter-Bereich – die in elektrisch betriebenen chemischen Reaktionen eingesetzt werden.
Die Methode des Teams könnte das grundlegende Verständnis der aktiven Stellen von Katalysatoren erheblich beeinflussen und Ingenieuren ermöglichen, Nanokatalysatoren rational zu entwerfen und so ihre Leistung zu optimieren, während aktuelle Methoden eher auf Versuch und Irrtum beruhen.
Die Studie erschien auf dem Cover der Juli-Ausgabe von Naturkatalysewurde von den korrespondierenden Autoren und CNSI-Mitgliedern Jianwei „John“ Miao, Professor für Physik und Astronomie am UCLA College, Yu Huang, Traugott and Dorothea Frederking Endowed Professor und Leiter der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UCLA Samueli School of Engineering, und Philippe Sautet, einem angesehenen Professor für chemische und biomolekulare Werkstofftechnik und stellvertretenden Leiter der Graduiertenausbildung an der UCLA Samueli, geleitet.
Mithilfe von Fortschritten, die sie für eine Mikroskopietechnik namens Atomelektronentomografie entwickelt hatten, untersuchte das Team 11 Nanopartikel, die entweder nur aus einer Platin-Nickel-Legierung oder aus dieser Legierung plus Spuren von Molybdän bestanden, einem weiteren Metall, das als Katalysator dienen kann. Die Forscher konnten eine Vielzahl von Eigenschaften mit atomarer Auflösung messen, darunter die Facetten der Nanopartikel, ihre Oberflächenvertiefungen und die relative Ordnung der Strukturen und chemischen Komponenten der Katalysatoren.
Die Daten aus der Atomelektronentomographie wurden in künstliche Intelligenzmodelle eingespeist, die auf der Grundlage grundlegender Prinzipien der Physik und Chemie trainiert wurden. Mit den Algorithmen identifizierten die Forscher die aktiven Stellen, an denen die Katalyse stattfindet. Diese Erkenntnisse wurden dann mit realen Messungen validiert.
Die Beobachtungen der Wissenschaftler ergaben, dass die chemische Aktivität an den Platinstellen an der Oberfläche stark variiert – um mehrere Größenordnungen. Das Team führte eine umfassende Analyse der Beziehung zwischen der Struktur der Nanokatalysatoren und der chemischen Aktivität auf der Ebene einzelner Atome durch, um eine Gleichung zu formulieren, die quantitative Einblicke in die aktiven Stellen der Nanokatalysatoren liefert.
Obwohl sich diese Studie auf Nanokatalysatoren aus Platinlegierungen in einer bestimmten elektrochemischen Reaktion konzentrierte, kann die allgemeine Methode mit einer breiten Palette von Nanokatalysatoren für verschiedene Reaktionen angewendet werden, um die lokalen 3D-Positionen von Atomen sowie die elementare Zusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung der Katalysatoren zu bestimmen.
Die Co-Erstautoren der Studie sind Yao Yang von der Westlake University in China und Jihan Zhou, Zipeng Zhao und Geng Sun von der UCLA. Weitere Co-Autoren sind Saman Moniri, Yongsoo Yang, Ziyang Wei, Yakun Yuan und Yang Liu, alle von der UCLA; Colin Ophus, Jim Ciston und Peter Ercius von der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory; Cheng Zhu und Hendrik Heinz von der University of Colorado in Boulder; und Qiang Sun und Qingying Jia von der Northeastern University.
Mehr Informationen:
Yao Yang et al., Identifizierung aktiver Stellen von Sauerstoffreduktions-Nanokatalysatoren auf atomarer Ebene, Naturkatalyse (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01175-8