Dynamics of Nanocatalytical Model Systems

Die Welt steht vor einer Vielzahl von ernsten Herausforderungen bei der Sicherung effizienter und nachhaltiger Chemie-und Energieproduktion. Catalysis bereits eine zentrale Rolle spielt in dieser Technologien, sondern neuartige und kostengünstige Katalysatoren sind dringend notwendig, wenn wir auf die globalen Herausforderungen gerecht zu werden. Rastertunnelmikroskopie (STM) ist ein einzigartiges Echtzeit-Raum-Technik Katalysator Systeme modellieren, die neue Einblicke in die industrielle katalytische Systeme Identifizierung der aktiven Zentren, die Bedeutung von Störstellen und Support-Effekte bieten kann. Wir nähern uns einer Zeit, in fundamentalen atomaren Maßstab Einblicke in Oberflächenstruktur und Reaktivität auf die Gestaltung eines neuen Superior-Katalysator, der unter technisch relevanten Bedingungen führen kann.

Step-by-Step Surface-katalytische Reaktionen

Unser erstes Beispiel befasst sich mit der Gestaltung eines neuen Dampf-Reformierung Katalysator. Während Gold und Nickel in der Masse nicht mischbar sind, Professor Besenbacher und Dr. Thostrup am Interdisziplinären Nanoscience Center (iNANO ) haben entdeckt, dass die beiden in der Tat bilden eine Oberfläche Legierung zu tun. Zusammen mit der Tatsache, dass Ni, wenn es als Dampf-Reformierung Katalysator verwendet, ist schnell von Graphit Bildung, passiviert Taken Professor Besenbacher und Dr. Thostrup untersucht, ob die Au-Ni-Legierung Oberfläche widerstandsfähiger ist.

Von hochauflösenden STM-Bilder zeigte sich, dass die Au-Atome in den legierten Ni Oberflächenschicht stören die elektronische Struktur der Nähe Ni-Atomen, in dem Sinne, dass die Ni-Atome mit einem benachbarten Au-Atom abgebildet sind heller durch STM (siehe Abbildung unten ). Dies hat den überraschenden Effekt der Senkung der Neigung der Oberfläche zu Kohlenstoff und Graphit Form binden. Diese grundlegenden Erkenntnisse inspirierten die Synthese einer großen Oberfläche, MgAl ₂ O _{4-unterstützten} Au-Ni Dampfreformierung Katalysator.

Als zweites Beispiel, Professor Besenbacher und Dr. Thostrup erfolgreich ein Zwischenprodukt in der Hydrodesulfurierung (HDS) Prozess, der auf praktisch allen Verbrennungsprodukte aus Erdöl gewonnen beschäftigt ist und als solcher ein sehr wichtiger Faktor bei der Verlangsamung der Schwefelemissionen aufgelöst. Unsere atomar aufgelösten Bilder zeigten eine bis dahin unbekannte elektronische "Rand"-Zustand mit metallischen Charakter an den Rändern des katalytisch aktiven MoS _{2-Nanocluster.} Es stellt sich heraus, dass dieser Rand Staat ungewöhnlichen chemischen Eigenschaften verleiht der MoS _2-Cluster.

Die folgende Abbildung zeigt die Reaktionszwischenprodukt cis-but-2-en-Thiolaten (C ₄ H ₇ S-) koordiniert durch das Terminal Schwefelatom der metallischen Rand auf partiellen Hydrierung von Thiophen (C ₄ H ₄ S) gebildet. Basierend auf Erkenntnisse aus den STM-Untersuchungen mit detaillierten theoretischen DFT-Rechnungen, unsere Mitarbeiter bei Haldor Topsøe A / S vor kurzem gelungen kombiniert, um eine neue Art von Vorgesetzten HDS-Katalysatoren, die BRIM Hydrotreating-Katalysatoren zu synthetisieren.

Drittens Professor Besenbacher und Dr. Thostrup mit der überraschenden Erkenntnis, daß die katalytische Aktivität von fein verteilten Au-Nanopartikel auf Rutil TiO ₂ unterstützt übersteigt jene der am häufigsten verwendeten Übergangsmetallkatalysatoren wie Pt, Rh und Pd behandelt. Derzeit ist das größte Problem mit Au Nanokatalysatoren verbundenen ihre langfristige Stabilität, da, wenn die Au-Nanocluster Sinter, deaktivieren Sie sie.

Von Wechselspiel zwischen STM und DFT-Ergebnisse, Professor Besenbacher und Dr. Thostrup haben ergeben, dass nicht Sauerstoff-Fehlstellen, sondern O-reiche Au-Schnittstellen unterstützen wichtig, Au-Nanocluster unter realen Reaktionsbedingungen zu stabilisieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Oxidationsstufe des unterstützenden Oxid sehr relevant ist und kann auch darauf hindeuten, dass der Umfang des Au-Nanocluster von besonderem Interesse für katalytische Reaktionen.

Durch zeitversetzt STM Filmen, Professor Besenbacher und Dr. Thostrup visualisieren können die Au-Nanocluster und lösen das dynamische Verhalten des chemischen Spezies auf der TiO _{2-Oberfläche.} Dies gibt die Möglichkeit der Realisierung einer der "Heilige Gral" im Bereich, das heißt direkt "watch" chemischer Reaktionen auf atomarer Skala, Schritt-für-Schritt, wie sie geschehen. Zum Beispiel Professor Besenbacher und Dr. Thostrup haben gezeigt, dass Defekte wie Leerstellen und Ti Interstitials eine zentrale Rolle im Spiel und kann die folgenden Oberflächenoxidation Chemie, wie die Bereitstellung der elektronischen Ladung für O2 Adsorption und Dissoziation erforderlich diktieren.

Siehe http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano für STM-Filmen zeigt die Dynamik von Wasser-vermittelte Hydroxyl-Bewegung auf TiO _2.

Vorteile für die Gesellschaft

Industrielle Katalysatoren sind stets konstruktiv aufwendig und in der Regel unzugänglich zu atomarer Skala Kontrolle mit der heutigen Oberfläche-sensitive Techniken. In der sogenannten "Surface-Science-Ansatz" haben wir daher auf idealisierte System wie die oben genannten Ort. Diese grobe Vereinfachungen Ungeachtet wir noch laufen fruchtbare Forschungskooperationen mit industriellen Partnern.

Um Forscher in Industrie und Wissenschaft gleichermaßen, ist im realen Raum Visualisierung an sich eine große Inspiration Faktor, aber die Aufklärung grundlegender Phänomene oder kritischen Reaktionsparameter uns helfen Ansatz dem Ziel der Entwicklung neuer Katalysatoren, die aus ersten Prinzipien.

Referenzen

F. Besenbacher et al., Science 279, 1913-1914 (1998).
JV Lauritsen et al., J. Catal. 224, 94-106 (2004).
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J. Matthiesen et al., ACS Nano 3, 517 (2009).
F. Besenbacher et al., Surf. Sci. 603, 1325 (2009).

Urheberrecht AZoNano.com, Professor Flemming Besenbacher und Dr. Peter Thostrup (Interdisziplinäres Nanoscience Center (iNANO), Aarhus University)