Dynamiikka Nanocatalytical mallijärjestelmiin

Maailma on edessään monia vakavia haasteita turvata entistä tehokkaampaan ja kestävämpään kemian ja energian tuotantoon. Katalyysitutkimus jo on keskeinen rooli tällaisten teknologioiden, mutta romaani ja edullisia katalyyttejä tarvitaan nopeasti, jos aiomme vastata globaaleihin haasteisiin. Skannaus tunnelointi mikroskopia (STM) on ainutlaatuinen reaaliaikainen tila tekniikka katalysaattori malli järjestelmiä, jotka voivat tarjota uusia oivalluksia teollisuuden katalyyttinen järjestelmät tehoaineen tunnistamista koskevia sivustoja, merkitys vika sivustoja, ja tuen vaikutukset. Lähestymme aikakauteen, jossa perustavanlaatuinen atomitason oivalluksia pintarakenne ja reaktiivisuus saattaa suunnitella uuden superior katalysaattori toimivat teknisesti ehtoja.

Step-by-Step Pinta-katalyyttinen reaktioita

Ensimmäinen esimerkki käsittelee suunnittelussa uuden höyryreformoinnin katalysaattorina. Vaikka kulta ja nikkeli ovat sekoittumattomasta vuonna irtotavarana, professori Besenbacher ja Dr. Thostrup at Monialainen Nanoscience Center (iNANO ) ovat havainneet, että kaksi asiaa eivät itse asiassa muodosta pinta seoksesta. Yhdessä sen tosiasian kanssa, että Ni käytettäessä höyryreformoinnin katalysaattori, on nopeasti passivoitu jonka grafiitti muodostumista, professori Besenbacher ja Dr. Thostrup selvitti Au-Ni pinta seos on kestävämpi.

Korkean resoluution STM kuvia selvisi, että Au atomien seostettu osaksi Ni pintakerrokseen hämmentää elektronirakenne lähistöllä Ni atomien, siinä mielessä, että Ni atomit naapurimaiden Au Atom ovat mittausta kirkkaampi by STM (katso kuva alla ). Tämä on yllättävä vaikutus alentaa taipumus pinnan sitovat hiiltä ja muodostaa grafiitti. Nämä perustavanlaatuiset havaintojen innoittamana synteesi suuri pinta-ala, mgal ₂ O _4-tuki Au-Ni höyryreformoinnin katalysaattorina.

Toisena esimerkkinä, professori Besenbacher ja Dr. Thostrup ratkaistua reaktion välituote vetyrikinpoiston (HDS) prosessi, joka työskentelee lähes kaikilla palamistuotteet peräisin raakaöljyn ja on sinänsä erittäin tärkeä tekijä laantua rikkipäästöjä. Meidän atomisesti ratkaistu kuvia paljasti tuntemattoman sähköinen "Brim" valtio, jossa on metalliset merkin reunoilla katalyyttisesti aktiivinen MoS ₂ nanoclusters. Osoittautuu, että tämä Brim valtio luojana epätavalliset kemialliset ominaisuudet MoS ₂ klustereita.

Alla olevassa kuvassa reaktio väli cis-but-2-eeni-thiolates (C ₄ H ₇ S-) koordinoi terminaalin läpi rikki atomista metallinen lieri muodostuvat osittainen hydrauksesta tiofeeni (C ₄ H ₄ S). Perusteella käsityksen saatu STM tutkimukset yhdistettynä yksityiskohtainen teoreettinen DFT laskelmat, meidän Yhteiskäyttäjiä Haldor Topsøe / S äskettäin onnistui syntetisoimaan uudentyyppinen Superior HDS katalyyttejä, lieri vetykäsitellyprosessista katalyyttejä.

Kolmanneksi professori Besenbacher ja Dr. Thostrup käsitellä yllättävää todeta, että katalyyttisen vaikutuksen Hienojakoiset Au nanohiukkasten rutiilia TiO ₂ tukee yli kuin yleisesti käytetty siirtymävaiheeseen katalyytit kuten Pt, Rh ja Pd. Tällä hetkellä vakavin ongelma liittyy Au nanocatalysts on niiden pitkän aikavälin vakaus, koska kun Au nanoclusters sintteri, ne pois.

Vuodesta vuorovaikutus STM ja DFT tulokset, professori Besenbacher ja Dr. Thostrup ovat paljastaneet, että ei happi avoimia työpaikkoja, vaan O-rikas Au-tuki rajapinnat tärkeää vakauttaa Au nanoclusters todellisissa reaktio-olosuhteissa. Nämä tulokset osoittavat, että hapetus tila tukee oksidi on hyvin tärkeä ja kertoo samalla, että kehä Au nanoclusters on erityisen kiinnostavaa on katalyyttinen reaktioita.

Avulla aika-rauenneet STM elokuvia, professori Besenbacher ja Dr. Thostrup voi visualisoida Au nanoclusters ja ratkaista dynaamista käyttäytymistä kemiallisia läsnä TiO ₂ pintaan. Tämä antaa mahdollisuuden realisoida yhden "Pyhän Grails" alueella, joka on suoraan "watch" kemiallisia reaktioita atomitasolla, askel askeleelta, kun ne tapahtuvat. Esimerkiksi professori Besenbacher ja Dr. Thostrup ovat osoittaneet, että vauriot, kuten avoimista työpaikoista ja Ti interstitials avainasemassa ja voivat sanella seurannut pinnan hapettumista kemia, esimerkiksi tarjoamalla sähköisiä maksu vaaditaan O2 adsorptio ja dissosiaatio.

Katso http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano STM elokuvia Näytetään dynamiikka vesi-välitteisen hydroksyyli liikkeen TiO _2.

Etuja yhteiskunnalle

Teollisuuden katalysaattorit ovat poikkeuksetta rakenteeltaan monimutkaisia ​​ja yleensä unamenable että atomitason valvonnan nykypäivän pinta-herkkä tekniikoita. Niin sanottu "pinta-tieteen lähestymistapa", siksi turvautumaan idealisoitu järjestelmään kuten edellä on esitetty. Nämä brutto yksinkertaistuksia huolimatta olemme silti ajaa hedelmällistä tutkimusyhteistyötä kanssa teollisia yhteistyökumppaneita.

Tutkijoille teollisuuden ja korkeakoulujen yhtälailla todellinen tilan visualisointi itsessään on suuri inspiroiva tekijä, mutta selvittäminen perustavanlaatuisia ilmiöitä tai kriittinen reaktio parametrien Auta meitä lähestymistapa Tavoitteena on suunnitella uusia kannustimia periaatteiden pohjalta.

Referenssit

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

Copyright AZoNano.com, professori Flemming Besenbacher ja Dr. Peter Thostrup (Poikkitieteellinen Nanoscience Center (iNANO), Århusin yliopisto)