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Il mondo sta affrontando una serie di sfide impegnative per garantire chimiche più efficienti e sostenibili e la produzione di energia. Catalisi gioca già un ruolo centrale in tali tecnologie, ma nuovi catalizzatori e poco onerose urgente se vogliamo affrontare le sfide globali. Microscopia a scansione tunnel (STM) è un unico reale spazio tecnica di sistemi modello catalizzatore in grado di fornire nuove prospettive industriali sistemi catalitici identificare i siti attivi, l'importanza dei siti difetto, e gli effetti di sostegno. Ci stiamo avvicinando a un'era in cui fondamentale su scala atomica intuizioni struttura superficiale e reattività può portare alla progettazione di un nuovo catalizzatore superiore che operano in condizioni tecniche rilevanti.
Step-by-Step-Surface reazioni catalitiche
Le nostre offerte primo esempio con la progettazione di un nuovo vapore-riforma catalizzatore. Mentre l'oro e nichel sono immiscibili in gran parte, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup al Interdisciplinare Nanoscience Center (iNANO ) hanno scoperto che i due si costituiscono di fatto una lega di superficie. Nel loro insieme con il fatto che Ni, se usato come catalizzatore di reforming a vapore, è rapidamente passivato dalla formazione di grafite, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup esaminato se l'Au-Ni lega superficie è più resistente.
Da immagini ad alta risoluzione STM è stato rivelato che gli atomi di Au legati nello strato superficiale Ni turbare la struttura elettronica degli atomi Ni nelle vicinanze, nel senso che gli atomi di Ni con un atomo di Au vicini vengono esposte più brillanti da STM (vedi figura sotto ). Questo ha l'effetto sorprendente di abbassare la tendenza della superficie di legare grafite e forma. Queste scoperte fondamentali ispirato la sintesi di una superficie elevata, MgAl 2 O 4-Au-Ni supportato vapore riforma catalizzatore.
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Come secondo esempio, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup risolto con successo una reazione intermedio idrodesolforazione (HDS) processo, che viene utilizzato praticamente su tutti i prodotti della combustione derivati dal petrolio greggio e come tale è un fattore molto importante per abbattere le emissioni di zolfo. Le nostre immagini atomicamente risolto rivelato un finora sconosciuto elettronico Stato "bordo" con carattere metallico ai bordi del cataliticamente attivo MoS 2 nanocluster. Si scopre che questo stato fino all'orlo conferisce caratteristiche chimiche inusuali per i 2 gruppi AdM.
La figura seguente mostra la reazione intermedio cis-but-2-ene-thiolates (C 4 H 7 S-) coordinato attraverso l'atomo terminale di zolfo fino al bordo metallico formato sulla idrogenazione parziale di tiofene (C 4 H 4 S). Sulla base di conoscenza acquisito dagli studi STM combinato con dettagliati calcoli teorici DFT, i nostri collaboratori in Haldor Topsoe A / S di recente è riuscito a sintetizzare un nuovo tipo di catalizzatori superiore HDS, all'orlo hydrotreating catalizzatori.
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In terzo luogo, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup affrontato la sorprendente scoperta che l'attività catalitica del finemente disperso nanoparticelle Au sul rutilo TiO 2 supporta supera quelli di uso comune metalli di transizione come catalizzatori Pt, Rh e Pd. Allo stato attuale, il problema più grave associata a nanocatalysts Au è la loro stabilità a lungo termine, dal momento che quando il Au nanocluster di sinterizzazione, che disattivare.
Dalla interazione tra STM e risultati DFT, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup hanno rivelato che non posti vacanti ossigeno, ma ricchi di O-Au-supportare interfacce sono importanti per stabilizzare nanocluster di Au in condizioni di reazione reale. Questi risultati dimostrano che lo stato di ossidazione dell'ossido di sostegno è molto rilevante e può anche indicare che il perimetro del nanocluster di Au è di particolare interesse per reazioni catalitiche.
Per mezzo di tempo trascorso film STM, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup può visualizzare la nanocluster di Au e risolvere il comportamento dinamico delle specie chimiche presenti sulla superficie di TiO 2. Questo dà l'opportunità di realizzare uno dei "Santo Graal" all'interno dell'area, che è direttamente "guardare" le reazioni chimiche su scala atomica, passo dopo passo, in tempo reale. Per esempio, il professor Besenbacher e il Dott. Thostrup hanno rivelato che i difetti, come l'offerta e la interstitial Ti svolgono un ruolo chiave in e possono dettare la conseguente ossidazione chimica di superficie, come ad esempio fornendo la carica elettronica necessaria per O2 adsorbimento e dissociazione.
Vedi http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano per i film STM che mostra le dinamiche di acqua-mediata movimento idrossile su TiO 2.
Benefici per la società
Catalizzatori industriali sono sempre strutturalmente complesse e generalmente unamenable a scala atomica esame con l'attuale superficie sensibile tecniche. Nella cosiddetta "superficiale approccio delle scienze", pertanto, ricorrere a sistemi idealizzati come quelle presentate in precedenza. Queste semplificazioni lordo nonostante, dobbiamo ancora eseguire fruttuose collaborazioni di ricerca con i nostri partner industriali.
Per i ricercatori nel settore industriale e mondo accademico allo stesso modo, nello spazio reale la visualizzazione di per sé è un fattore di grande ispirazione, ma la spiegazione di fenomeni fondamentali o parametri reazione critica aiutarci approccio l'obiettivo di progettare nuovi catalizzatori da principi primi.
Referenze
Besenbacher F. et al. Science 279, 1913-1914 (1998).
JV Lauritsen et al. J. Catal. 224, 94-106 (2004).
Topsøe H. et al. Catal. Oggi 107-08, 12-22 (2005).
JV Lauritsen et al. Natura nanotecnolo. 2, 53 (2007)
D. Matthey et al. Science 315, 1692-1696 (2007).
S. Wendt et al. Science 320, 1755 (2008).
Matthiesen J. et al. ACS Nano 3, 517 (2009).
Besenbacher F. et al. Surf. Sci. 603, 1325 (2009).
Copyright AZoNano.com, il professor Flemming Besenbacher e il Dr. Peter Thostrup (Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO), Università di Aarhus)