Dynamik von Nanocatalytical-Modellsystemen

Professor Flemming Besenbacher und Dr. Peter Thostrup, Interdisziplinäre Nanoscience-Mitte (iNANO), Aarhus-Universität
Entsprechender Autor: fbe@inano.dk

Die Welt stellt eine Vielzahl von ernsten Herausforderungen gegenüber, wenn sie effizientere und dauerhaftere Chemikalie und Energieerzeugung befestigt. Katalyse spielt bereits eine zentrale Rolle in solchen Technologien, aber neue und billige Katalysatoren werden dringend gefordert, wenn wir die globalen Herausforderungen annehmen sollen. Scannende Tunnelbau-Mikroskopie (STM) ist eine eindeutige Realraumtechnik von Katalysatormodellsystemen, die neue Einblicke in die industriellen katalytischen Anlagen zur Verfügung stellen können, welche die aktiven Sites kennzeichnen, die Bedeutung des Defektes stationiert, und Halterung bewirkt. Wir nähern uns einer Ära, in der grundlegende Atom-schuppe Einblicke möglicherweise in Oberflächenzelle und in Reaktivität zu die Auslegung eines neuen überlegenen Katalysators führen, der unter technisch relevanten Bedingungen funktioniert.

im Schrittmodus Oberfläche-Katalytische Reaktionen

Unser erstes Beispiel beschäftigt die Auslegung eines neuen Dampfreformierungskatalysators. Während Gold und Nickel in der Masse unvermischbar sind, haben Professor Besenbacher und Dr. Thostrup in der Interdisziplinären Nanoscience-Mitte (iNANO) entdeckt, dass die zwei tatsächlich eine Oberflächenlegierung bilden. Genommen zusammen mit der Tatsache, dass Ni, wenn es als Dampfreformierungskatalysator verwendet wird, schnell durch Graphitentstehung passiviert wird, forschten Professor Besenbacher und Dr. Thostrup nach, ob die Legierung der Oberfläche Au-Ni beständiger ist.

Von hochauflösenden STM-Bildern wurde es, dass die Auatome, die in die Deckschicht Ni legiert werden, die elektronische Zelle der nahe gelegenen Ni-Atome stören, in der Richtung aufgedeckt, dass die Ni-Atome mit einem benachbarten Auatom durch STM abgebildetes helleres sind (sehen Sie Abbildung unten). Dieses hat den überraschenden Effekt der Senkung der Tendenz der Oberfläche, Kohlenstoff und Formulargraphit zu binden. Diese grundlegenden Ergebnisse spornten die Synthese einer hohen Fläche, MgAlO-unterstützter24 Katalysator der Dampfreformierung Au-Ni an.

Als zweites Beispiel lösten Professor Besenbacher und Dr. Thostrup erfolgreich einen Reaktionsvermittler im Hydrodesulfurisations (HDS)prozeß, der auf praktisch allen Verbrennungsprodukten eingesetzt wird, die vom Rohöl berechnet werden und als solch ein sehr wichtiger Faktor in herabsetzenden Schwefelemissionen ist. Unsere atomar entschlossenen Bilder deckten einen bisher unbekannten elektronischen „Rand“ Zustand mit metallischem Zeichen an den Rändern von katalytisch aktiven MOS-2 nanoclusters auf. Er fällt aus, dass dieser Randzustand ungewöhnliche chemische Eigenschaften zu den MOS-Clustern2 zuteilt.

Die folgende Abbildung zeigt der Reaktion Zwischen-cis-but-2-ene-thiolates (CHS-47) koordiniert durch das Terminalschwefelatom zum metallischen Rand, der nach teilweiser Hydrierung des Thiophens (CHS)44 gebildet wird. Basiert auf dem Einblick, der von den STM-Studien kombiniert wurden mit ausführlichen theoretischen DFT-Berechnungen gewonnen wurde, erreichten unsere Mitarbeiter bei Haldor Topsøe A/S vor kurzem, einen neuen Typ überlegene HDS-Katalysatoren, die RAND-Hydroverfahrenkatalysatoren zu synthetisieren.

Drittens Professor Besenbacher und Dr. Thostrup beschäftigt das überraschende, finden, dass die katalytische Aktivität von fein zerstreuten Au nanoparticles auf Rutil TiO-2 Halterungen die von allgemein verwendeten Übergangmetallkatalysatoren wie Pint, Rechts und PD überschreitet. Zur Zeit ist das ernsteste Problem, das mit Au nanocatalysts verbunden ist, ihre Langzeitstabilität, seit dem, wenn die Au nanoclusters sintern, sie deaktivieren.

Von der Wechselwirkung zwischen STM- und DFT-Ergebnissen, haben Professor Besenbacher und Dr. Thostrup aufgedeckt, dass nicht Sauerstofffreie stellen, aber ziemlich O-Reiche Au-Halterung Schnittstellen wichtig sind, Au nanoclusters unter wirklichen Reaktionsbedingungen zu stabilisieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Oxidationsstufe möglicherweise des unterstützenden Oxids ist in hohem Grade relevant und auch anzeigt, dass der Umkreis der Au nanoclusters von den speziellen Zinsen zu den katalytischen Reaktionen ist.

Mittels zeit-erloschener STM-Filme können Professor Besenbacher und Dr. Thostrup die Au nanoclusters sichtbar machen und das dynamische Verhalten der chemischen Spezies lösen, die auf der TiO-Oberfläche2 vorhanden sind. Dieses gibt die Gelegenheit der Verwirklichung eins der „Heiligen Grale“ innerhalb des Bereiches, der ist, chemische Reaktionen an der Atomschuppe „direkt zu überwachen“, im Schrittmodus, da sie geschehen. Zum Beispiel haben Professor Besenbacher und Dr. Thostrup, dass Defekte möglicherweise wie freie Stellen und Tiinterstitielle spielen eine Schlüsselrolle herein und die folgende Oberflächenoxidationschemie vorschreiben, wie Lieferung der Elementarladung aufgedeckt, die für Aufnahme O2 und Auflösung benötigt wird.

Sehen Sie http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano für STM-Filme, welche die Dynamik der wasser-vermittelten Hydroxylbewegung auf TiO zeigen2.

Nutzen zur Gesellschaft

Industrielle Katalysatoren sind unveränderlich strukturell Komplex und im Allgemeinen unamenable Atom-schuppe genaue Untersuchung mit heutigen Oberfläche-empfindlichen Techniken. Im so genannten „Oberflächewissenschaft Anflug“, greifen wir deshalb auf idealisierte Anlage wie die zurück, die oben dargestellt werden. Ungeachtet Dieser Bruttovereinfachungen, führen wir noch fruchtbare Forschungszusammenarbeiten mit unseren industriellen Partnern aus.

Zu den Forschern in der Industrie und in der Hochschule ebenso, ist Realraumsichtbarmachung an sich ein großer inspirierend Faktor, aber die Erklärung von grundlegenden Phänomenen oder die kritischen Reaktionsparameter helfen uns, dem Ziel des Konstruierens von neuen Katalysatoren von den ersten Prinzipien uns zu nähern.


Bezüge

F. Besenbacher et al., Wissenschaft 279, 1913-1914 (1998).
J.V. Lauritsen et al., J. Catal. 224, 94-106 (2004).
H. Topsøe et al., Catal. 107-08 Heute, 12-22 (2005).
J.V. Lauritsen et al., Natur Nanotechnol. 2, 53 (2007)
D. Matthey et al., Wissenschaft 315, 1692-1696 (2007).
S. Wendt et al., Wissenschaft 320, 1755 (2008).
J. Matthiesen et al., ACS Nano-3, 517 (2009).
F. Besenbacher et al., Brandung. Sci. 603, 1325 (2009).

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Date Added: Oct 13, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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