Δυναμική Nanocatalytical πρότυπα συστήματα

Ο κόσμος αντιμετωπίζει μια σειρά από σοβαρές προκλήσεις για τη διασφάλιση της πιο αποτελεσματικής και αειφόρου χημικών και την παραγωγή ενέργειας. Κατάλυση παίζει ήδη ένα κεντρικό ρόλο σε τέτοιες τεχνολογίες, αλλά είναι νέα και ανέξοδη καταλύτες που απαιτούνται επειγόντως, αν θέλουμε να ανταποκριθούμε στις παγκόσμιες προκλήσεις. Σάρωσης σήραγγας μικροσκόπιο (ΕΕΜ) είναι ένα μοναδικό πραγματικό χώρο τεχνική του καταλύτη πρότυπα συστήματα που μπορούν να προσφέρουν νέα στοιχεία για τη βιομηχανική καταλυτικών συστημάτων εντοπισμό των ενεργών δικτυακών τόπων, τη σημασία των τόπων ελάττωμα, και των αποτελεσμάτων υποστήριξη. Πλησιάζουμε σε μια εποχή όπου τα θεμελιώδη ατομικής κλίμακας γνώσεις σχετικά με τη δομή επιφάνειας και αντιδραστικότητα μπορεί να οδηγήσει στο σχεδιασμό ενός νέου ανώτερη καταλύτης που λειτουργούν υπό τεχνικώς σχετικές προϋποθέσεις.

Βήμα-βήμα πάνω στην επιφανειακή τάση καταλυτικών αντιδράσεων

Πρώτο σημείο ασχολείται παράδειγμα μας με το σχεδιασμό ενός νέου αναμόρφωση με ατμό καταλύτη. Ενώ ο χρυσός και το νικέλιο αναμειγνύονται στο μεγαλύτερο μέρος, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup στο Διεπιστημονικό Κέντρο Νανοεπιστήμες (iNANO ) έχουν ανακαλύψει ότι οι δύο κάνουν σε μορφή πραγματικότητα ένα κράμα επιφάνεια. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι Ni, όταν χρησιμοποιείται ως αναμόρφωση με ατμό καταλύτης, είναι γρήγορα αδρανοποιημένα από γραφίτη σχηματισμό, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup διερεύνησε κατά πόσον το Au-Ni κράμα επιφάνεια είναι πιο ανθεκτικό.

Από εικόνες υψηλής ανάλυσης ΕΕΜ, αποκαλύφθηκε ότι τα άτομα Au κράμα στην επιφάνεια Ni στρώμα διαταράσσουν την ηλεκτρονική δομή των ατόμων γύρω από το ξενοδοχείο Ni, με την έννοια ότι τα άτομα Ni με μια γειτονική Au άτομο απεικονίζεται πιο φωτεινή με ΕΕΜ (βλέπε παρακάτω σχήμα ). Αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα τη μείωση της τάσης της επιφάνειας να δεσμεύει άνθρακα και τη μορφή γραφίτη. Αυτά τα θεμελιώδη ευρήματα ενέπνευσε τη σύνθεση μιας μεγάλης επιφάνειας, mgal ₂ O _{4-υποστηρίζεται} Au-Ni αναμόρφωση με ατμό καταλύτη.

Ως δεύτερο παράδειγμα, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup επιλυθεί με επιτυχία μια αντίδραση ενδιάμεσο στην υδρογονοαποθείωσης (HDS) διαδικασία, η οποία απασχολείται σε σχεδόν όλα τα προϊόντα που προέρχονται από καύση του πετρελαίου και ως τέτοια είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας στην προσπάθεια μείωσης των εκπομπών θείου. Atomically επιλυθεί εικόνες που μας αποκάλυψε μια άγνωστη έως σήμερα σε ηλεκτρονική "χείλος" κράτος με μεταλλικό χαρακτήρα στα άκρα της καταλυτικά ενεργό nanoclusters MoS _2. Αποδεικνύεται ότι αυτό το κράτος χείλος μεταδίδει ασυνήθιστο χημικά χαρακτηριστικά με τους MoS ₂ ομάδες.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την αντίδραση ενδιάμεσο cis-αλλά-2-ενο-thiolates (C ₄ H ₇ S-) συντονίζονται μέσω του τερματικού άτομο θείου στο μεταλλικό χείλος που σχηματίζονται κατά την μερική υδρογόνωση των θειοφαίνιο (C ₄ H ₄ S). Με βάση την πείρα που αποκτήθηκε από τις μελέτες ΕΕΜ σε συνδυασμό με λεπτομερείς θεωρητικούς υπολογισμούς DFT, τους συνεργάτες μας σε Haldor Topsoe A / S πρόσφατα κατόρθωσε να συνθέσει ένα νέο είδος ανώτερης καταλυτών HDS, το χείλος με υδρογόνο καταλύτες.

Τρίτον, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup ασχολήθηκε με το εκπληκτικό εύρημα ότι η καταλυτική δράση της διασκορπιστούν Au νανοσωματίδια σε ρουτίλιο TiO ₂ υποστηρίζει υπερβαίνει αυτά που χρησιμοποιούνται συνήθως μετάβαση μετάλλου καταλυτών όπως Pt, Rh και Pd. Προς το παρόν, το πιο σοβαρό πρόβλημα που σχετίζεται με Au nanocatalysts είναι μακροπρόθεσμη σταθερότητά τους, αφού όταν το Au nanoclusters συσσωμάτωσης, θα απενεργοποιήσετε.

Από την αλληλεπίδραση μεταξύ της ΕΕΜ και DFT αποτελέσματα, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup αποκάλυψαν ότι δεν έχουν κενές θέσεις οξυγόνου, αλλά μάλλον O πλούσια σε Au-υποστήριξης των διεπαφών είναι σημαντικές για τη σταθεροποίηση Au nanoclusters κάτω από πραγματικές συνθήκες αντίδρασης. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι η οξειδωτική κατάσταση των δικαιολογητικών του αζώτου είναι πολύ σημαντικό και μπορεί επίσης να δείχνουν ότι η περίμετρος του Au nanoclusters παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για καταλυτικών αντιδράσεων.

Με τη βοήθεια του χρόνου έληξαν ταινίες ΕΕΜ, Καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup μπορεί να απεικονίσει την nanoclusters Au και να επιλύσουν τη δυναμική συμπεριφορά των χημικών ειδών που υπάρχουν στην επιφάνεια του TiO _2. Αυτό δίνει την ευκαιρία να πραγματοποιήσουν ένα από τα "Ιερά Δισκοπότηρα» εντός της περιοχής, που είναι άμεσα «ρολόι» των χημικών αντιδράσεων σε ατομική κλίμακα, βήμα-βήμα, τη στιγμή που συμβαίνουν. Για παράδειγμα, ο καθηγητής Besenbacher και ο Δρ Thostrup έχουν αποκαλύψει ότι οι ατέλειες, όπως κενές θέσεις εργασίας και Ti interstitials διαδραματίζουν καίριο ρόλο in και μπορεί να υπαγορεύουν την επακόλουθη χημείας των επιφανειών, οξείδωση, όπως η παροχή των ηλεκτρονικών επιβάρυνση που απαιτούνται για την O2 προσρόφηση και αποσύνδεση.

Δείτε http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano για ταινίες ΕΕΜ που δείχνει τη δυναμική του νερού με τη μεσολάβηση υδροξυλίου κίνημα σε TiO _2.

Οφέλη για την κοινωνία

Βιομηχανική καταλύτες είναι πάντοτε δομικά περίπλοκο και γενικά unamenable να ατομικής κλίμακας έλεγχο με επιφάνεια ευαίσθητη σημερινή τεχνικές. Στη λεγόμενη "προσέγγιση επιφάνεια-επιστήμη», γι 'αυτό καταφεύγουν σε εξιδανικευμένες συστήματος, όπως αυτές που εκτέθηκαν προηγουμένως. Αυτές οι ακαθάριστες απλουστεύσεις κατά παρέκκλιση, τρέξουμε ακόμα γόνιμη ερευνητικών συνεργασιών με τους βιομηχανικούς εταίρους μας.

Για να ερευνητών στη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό κόσμο όσο και σε πραγματικό χώρο απεικόνιση από μόνη της είναι μια μεγάλη πηγή έμπνευσης παράγοντας, αλλά η αποσαφήνιση των θεμελιωδών φαινομένων ή τις κρίσιμες παραμέτρους αντίδραση μας βοηθήσει να προσεγγίσουμε το στόχο το σχεδιασμό νέων καταλυτών από τις πρώτες αρχές.

Αναφορές

F. Besenbacher et al. Επιστήμης 279, 1913-1914 (1998).
JV Lauritsen et al., J. Çatal. 224, 94-106 (2004).
Η. Topsoe et al. Çatal. Σήμερα 107-08, 12 - 22 (2005).
JV Lauritsen et al., Φύση Nanotechnol. 2, 53 (2007)
Δ. Matthey et al., Επιστήμης 315, 1692-1696 (2007).
Σ. Wendt et al., Επιστήμης 320, 1755 (2008).
Ι. Matthiesen et al. ACS Nano 3, 517 (2009).
F. Besenbacher et al. Surf. Sci. 603, 1325 (2009).

Copyright AZoNano.com, Καθηγητής Flemming Besenbacher και ο Δρ Peter Thostrup (Διεπιστημονικό Κέντρο Νανοεπιστήμες (iNANO), Πανεπιστήμιο του Aarhus)