Dinamica dei Sistemi-Modello di Nanocatalytical

Il Professor Flemming Besenbacher e Dott. Peter Thostrup, Centro Interdisciplinare di Nanoscience (iNANO), Università di Aarhus
Autore Corrispondente: fbe@inano.dk

Il mondo sta affrontando varie sfide serie nell'assicurazione il prodotto chimico e della produzione di energia più efficienti e più sostenibili. La Catalisi già svolge un ruolo centrale in tali tecnologie, ma i catalizzatori novelli ed economici sono richiesti urgentemente se dobbiamo incontrare le sfide globali. La Microscopia di Scansione di Traforo (STM) è una tecnica unica dello reale-spazio di sistemi-modello del catalizzatore che possono fornire le nuove comprensioni nei sistemi catalitici industriali che identificano i siti attivi, l'importanza del difetto colloca ed il supporto effettua. Stiamo avvicinando ad un'era dove le visioni fondamentali del atomico-disgaggio della struttura e della reattività di superficie possono piombo alla progettazione di nuovo catalizzatore superiore che funziona nelle circostanze tecnicamente pertinenti.

Reazioni Superficie-Catalitiche graduali

Il Nostro primo esempio si occupa della progettazione di nuovo catalizzatore diriforma. Mentre l'oro ed il nichel sono immiscibili nella massa, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup al Centro Interdisciplinare di Nanoscience (iNANO) hanno scoperto che i due in effetti formano una lega di superficie. Catturato insieme al fatto che il Ni, una volta usato come catalizzatore diriforma, è passivato rapidamente da formazione della grafite, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup hanno studiato se la lega della superficie Au-Ni è più resistente.

Dalle immagini ad alta definizione di STM è stato rivelato che gli atomi dell'Au uniti in lega nello strato superficiale del Ni perturbano la struttura elettronica degli atomi vicini del Ni, nel senso che gli atomi del Ni con un atomo vicino dell'Au sono più luminoso imaged da STM (si veda la figura qui sotto). Ciò ha l'effetto sorprendente di abbassamento della tendenza della superficie a legare il carbonio e la grafite del modulo. Questi risultati fondamentali hanno ispirato la sintesi di alta area, il catalizzatore24 diriforma MgAlO-di supporto Au-Ni.

Come un secondi esempio, Professor Besenbacher e Dott. Thostrup con successo risolto un intermedio di reazione nel trattamento (HDS) dell'idrodesolforazione, che è impiegato su praticamente tutti i prodotti di combustione è derivato da petrolio greggio ed è come tal molto fattore importante nelle emissioni di riduzione dello zolfo. Le Nostre immagini atomico risolte hanno rivelato uno stato elettronico fino ad ora sconosciuto “del bordo„ con il carattere metallico alle barriere dei nanoclusters cataliticamente attivi2 del MOS. Risulta che questo stato del bordo comunica le caratteristiche chimiche insolite ai cluster2 del MOS.

La figura sotto mostra l'intermedio di reazione cis-but-2-ene-thiolates (CHS-47) coordinato attraverso l'atomo terminale dello zolfo al bordo metallico formato sopra idrogenazione parziale di tiofene (CHS44). Sulla Base di comprensione guadagnata dagli studi di STM combinati con i calcoli teorici dettagliati di DFT, i nostri collaboratori a Haldor Topsøe A/S recentemente sono riuscito a sintetizzare un nuovo tipo di catalizzatori superiori di HDS, i catalizzatori di idrotrattamento del BORDO.

In Terzo Luogo, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup si sono occupati del sorprendente trovando che l'attività catalitica delle nanoparticelle con precisione disperse dell'Au sui supporti di TiO2 del rutilo supera quelle dei catalizzatori comunemente usati del transizione-metallo quali la Pinta, il Rh ed il Palladio. Attualmente, la maggior parte del problema grave connesso con i nanocatalysts dell'Au è la loro stabilità a lungo termine, da quando i nanoclusters dell'Au sinterizzano, essi disattiva.

Dall'interazione fra i risultati di DFT e di STM, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup hanno rivelato che non i posti vacanti dell'ossigeno, ma di interfacce piuttosto Ricche di o del Au-Supporto sono importanti da stabilizzare i nanoclusters dell'Au nelle circostanze reali della reazione. Questi risultati indicano che lo stato di ossidazione dell'ossido supportante è altamente pertinente e può anche indicare che il perimetro dei nanoclusters dell'Au è di interesse speciale alle reazioni catalitiche.

Per mezzo di film del tempo scaduti di STM, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup possono visualizzare i nanoclusters dell'Au e risolvere il comportamento dinamico delle specie chimiche presenti sulla superficie2 di TiO. Ciò dà l'opportunità di realizzazione dell'uno “dei Sacri Graal„ all'interno dell'area, quella è direttamente “di guardare„ le reazioni chimiche al disgaggio atomico, graduale, poichè accadono. Per esempio, il Professor Besenbacher ed il Dott. Thostrup hanno rivelato che i difetti quali i posti vacanti e le piante interstiziali del Ti svolgono un ruolo chiave dentro e possono dettare la chimica di superficie seguente dell'ossidazione, come fornitura della tassa elettronica richiesta per l'adsorbimento O2 e la dissociazione.

Vedi http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano per i film di STM che mostrano la dinamica del movimento veicolato dall'acqua dell'idrossile su TiO2.

Vantaggi per la Società

I catalizzatori Industriali sono invariabilmente strutturalmente complesso ed esame accurato generalmente unamenable del atomico-disgaggio con le odierne alle tecniche superficie sensibili. Nel cosiddetto “approccio di superficie-scienza„, quindi ricorriamo al sistema idealizzato come i presenti sopra. Queste semplificazioni lorde nonostante, ancora eseguiamo le collaborazioni fruttuose della ricerca con i nostri partner industriali.

Ai ricercatori nell'industria e nell'accademia egualmente, la visualizzazione dello reale-spazio in sé è un grande fattore ispiratore, ma la delucidazione dei fenomeni fondamentali o i parametri critici della reazione ci aiuta a avvicinarsi allo scopo di progettazione dei catalizzatori nuovi dai primi principi.


Riferimenti

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

Copyright AZoNano.com, il Professor Flemming Besenbacher e Dott. Peter Thostrup (Centro Interdisciplinare di Nanoscience (iNANO), Università di Aarhus)

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

Last Update: 13. June 2013 23:17

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