Dynamique des Systèmes Modèles de Nanocatalytical

Professeur Flemming Besenbacher et M. Peter Thostrup, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience (iNANO), Université d'Aarhus
Auteur Correspondant : fbe@inano.dk

Le monde relève un grand choix de sérieux défi en fixant un produit chimique et une production d'énergie plus efficaces et plus viables. La Catalyse joue déjà un rôle central dans de telles technologies, mais des catalyseurs nouveaux et peu coûteux sont instamment exigés si nous devons relever les défis globaux. La Microscopie de Balayage de Perçage D'un Tunnel (STM) est une seule technique du réel-espace des systèmes modèles de catalyseur qui peuvent fournir des analyses neuves dans les systèmes catalytiques industriels recensant les sites actifs, l'importance du défaut situe, et le support effectue. Nous approchons une ère où les aperçus principaux d'atomique-échelle de la structure et de la réactivité extérieures peuvent mener au design d'un catalyseur supérieur neuf fonctionnant dans des conditions techniquement appropriées.

Réactions Surface-Catalytiques pas à pas

Notre premier cas traite le design d'un catalyseur de vapeur-reprise neuf. Tandis Que l'or et le nickel sont non-miscibles dans le volume, Professeur Besenbacher et M. Thostrup au Centre Interdisciplinaire de Nanoscience (iNANO) ont découvert que les deux forment en fait un alliage extérieur. Pris avec le fait que le Ni, une fois utilisé comme catalyseur de vapeur-reprise, est rapidement passivé par formation de graphite, Professeur Besenbacher et M. Thostrup ont vérifié si l'alliage de la surface Au-Ni est plus résistant.

Des images à haute résolution de STM on l'a indiqué que les atomes d'Au alliés dans la couche extérieure de Ni perturbent la structure électronique des atomes avoisinants de Ni, dans le sens que les atomes de Ni avec un atome voisin d'Au sont plus lumineux imagé par STM (voir le chiffre ci-dessous). Ceci a l'effet étonnant d'abaisser la tendance de la surface de gripper le carbone et le graphite de forme. Ces découvertes principales ont inspiré la synthèse d'une surface élevée, le catalyseur24 Au-Ni de vapeur-reprise MgAlO-supporté.

Comme deuxième exemple, Professeur Besenbacher et M. Thostrup ont avec succès résolu un cliché intermédiaire de réaction dans le procédé (HDS) d'hydrodésulfuration, qui est utilisé sur pratique tous les produits de combustion dérivés du pétrole brut et est comme facteur très important dans les émissions de réduction de soufre. Nos images atomique resolved ont indiqué une condition électronique jusque là inconnue de « bord » avec le caractère métallique aux arêtes des nanoclusters catalytiquement actifs2 de MOS. Il s'avère que cette condition de bord transmet des caractéristiques chimiques inhabituelles aux batteries2 de MOS.

Le chiffre ci-dessous affiche à la réaction cis-but-2-ene-thiolates (CHS-)47 intermédiaire coordonné par l'atome terminal de soufre au bord métallique formé sur l'hydrogénation partielle du thiophène (CHS44). Basé sur l'analyse gagnée des études de STM combinées avec des calculs théoriques détaillés de DFT, nos collaborateurs chez Haldor Topsøe A/S sont récent parvenus à synthétiser un type neuf de catalyseurs supérieurs de HDS, les catalyseurs d'hydrotraitement de BORD.

Troisièmement, Professeur Besenbacher et M. Thostrup traité l'étonnant constatant que l'activité catalytique des nanoparticles finement dispersés d'Au sur des supports de TiO2 de rutile dépasse ceux des catalyseurs utilisés généralement de passage-métal tels que la Pinte, la Main Droite, et le Palladium. Actuellement, la plupart de problème grave associé avec des nanocatalysts d'Au est leur stabilité à long terme, depuis quand les nanoclusters d'Au agglomèrent, ils mettent hors fonction.

De l'effet entre les résultats de STM et de DFT, Professeur Besenbacher et M. Thostrup ont indiqué que pas les vacances d'emploi de l'oxygène, mais les surfaces adjacentes plutôt Riches en o d'Au-Support sont importantes pour stabiliser des nanoclusters d'Au dans des conditions réelles de réaction. Ces résultats prouvent que la condition d'oxydation de l'oxyde supportant est hautement appropriée et peut également indiquer que le périmètre des nanoclusters d'Au est d'intérêt particulier aux réactions catalytiques.

Au moyen de films temps-périmés de STM, Professeur Besenbacher et M. Thostrup peuvent concevoir les nanoclusters d'Au et résoudre le comportement dynamique de la substance chimique actuelle sur la surface2 de TiO. Ceci donne l'opportunité de réaliser un des « Saints Graal » dans la zone, celle est directement « d'observer » des réactions chimiques à l'échelle atomique, pas à pas, car elles se produisent. Par exemple, Professeur Besenbacher et M. Thostrup ont indiqué que les défauts tels que des vacances d'emploi et des interstitiels de Ti jouent une fonction clé dedans et peuvent dicter la chimie extérieure de suite d'oxydation, telle que fournir la charge électronique priée pour l'adsorption O2 et la dissociation.

Voir le http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano pour des films de STM affichant la dynamique du mouvement eau-assisté d'hydroxyle sur TiO2.

Avantages à la Société

Les catalyseurs Industriels sont invariablement structurellement composé et examen minutieux généralement unamenable d'atomique-échelle avec des techniques tensio-sensibles d'aujourd'hui. Dans le soi-disant « élan de la surface-science », nous recourons pour cette raison au système idéalisé comme ceux présentés ci-dessus. Malgré Ces simplifications brutes, nous faisons fonctionner toujours des collaborations fructueuses de recherches avec nos associés industriels.

Aux chercheurs dans l'industrie et le milieu universitaire de même, la visualisation du réel-espace est en soi un facteur inspiré grand, mais l'élucidation des phénomènes principaux ou les paramètres critiques de réaction nous aident à approcher l'objectif de concevoir les catalyseurs neufs des premiers principes.


Références

F. Besenbacher et autres, la Science 279, 1913-1914 (1998).
J.V. Lauritsen et autres, J. Catal. 224, 94-106 (2004).
H. Topsøe et autres, Catal. Aujourd'hui 107-08, 12-22 (2005).
J.V. Lauritsen et autres, Nature Nanotechnol. 2, 53 (2007)
D. Matthey et autres, la Science 315, 1692-1696 (2007).
S. Wendt et autres, la Science 320, 1755 (2008).
J. Matthiesen et autres, Nano 3, 517 d'ACS (2009).
F. Besenbacher et autres, Ressac. Sci. 603, 1325 (2009).

Garantissez Les Droits D'auteur AZoNano.com, Professeur Flemming Besenbacher et M. Peter Thostrup (Centre Interdisciplinaire de Nanoscience (iNANO), Université d'Aarhus)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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