Dinâmica dos Sistemas Modelo de Nanocatalytical

Professor Flemming Besenbacher e Dr. Peter Thostrup, Centro Interdisciplinar de Nanoscience (iNANO), Universidade de Aarhus
Autor Correspondente: fbe@inano.dk

O mundo está enfrentando uma variedade de desafios sérios em fixar um produto químico e uma produção energética mais eficientes e mais sustentáveis. A Catálise já joga um papel fundamental em tais tecnologias, mas os catalizadores novos e baratos são exigidos urgente se nós devemos encontrar os desafios globais. A Microscopia de Varredura da Escavação De Um Túnel (STM) é uma técnica original do real-espaço dos sistemas modelo do catalizador que podem fornecer introspecções novas nos sistemas catalíticos industriais que identificam os locais activos, a importância do defeito situa, e o apoio efectua. Nós estamos aproximando uma era onde as introspecções fundamentais da atômico-escala na estrutura e na reactividade de superfície possam conduzir ao projecto de um catalizador superior novo que se opera sob circunstâncias tècnica relevantes.

Reacções Superfície-Catalíticas passo a passo

Nosso primeiro exemplo trata o projecto de um catalizador dereforma novo. Quando o ouro e o níquel forem immiscible no volume, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup no Centro Interdisciplinar de Nanoscience (iNANO) descobriram que os dois formam de facto uma liga de superfície. Tomado junto com o facto de que o Ni, quando usado como um catalizador dereforma, passivated rapidamente pela formação da grafite, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup investigaram se a liga da superfície Au-Ni é mais resistente.

Das imagens de alta resolução de STM revelou-se que os átomos do Au ligados na camada de superfície do Ni molestam a estrutura eletrônica dos átomos próximos do Ni, no sentido que os átomos do Ni com um átomo vizinho do Au são mais brilhantes imaged por STM (veja a figura abaixo). Isto tem o efeito surpreendente de abaixar a tendência da superfície ligar o carbono e a grafite do formulário. Estes resultados fundamentais inspiraram a síntese de uma área de superfície alta, catalizador24 Au-Ni dereforma MgAlO-apoiado.

Como um segundo exemplo, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup resolveram com sucesso um intermediário da reacção no processo (HDS) do hydrodesulphurization, que é empregado em praticamente todos os produtos da combustão derivados do petróleo bruto e é como tal muito factor importante em emissões de redução do enxofre. Nossas imagens atômica resolved revelaram um estado eletrônico até aqui desconhecido da “borda” com carácter metálico nas bordas de nanoclusters catalìtica activos2 do MOS. Despeja que este estado da borda dá características químicas incomuns aos conjuntos2 do MOS.

A figura abaixo mostra à reacção cis-but-2-ene-thiolates intermediário (CHS-47) coordenado através do átomo terminal do enxofre à borda metálica formada em cima da hidrogenação parcial do thiophene (CHS44). Baseado na introspecção ganhada dos estudos de STM combinados com os cálculos teóricos detalhados de DFT, nossos colaboradores em Haldor Topsøe A/S controlaram recentemente sintetizar um novo tipo de catalizadores superiores de HDS, os catalizadores da hidrotratamento da BORDA.

Em Terceiro Lugar, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup tratado o surpreendente encontrando que a actividade catalítica de nanoparticles finamente dispersados do Au em apoios de TiO2 do rutile excede aquelas de catalizadores de uso geral do transição-metal tais como a Pinta, o Rh, e o Paládio. Presentemente, a maioria de problema grave associado com os nanocatalysts do Au é sua estabilidade a longo prazo, desde quando os nanoclusters do Au aglomeram, eles desactiva.

Da interacção entre resultados de STM e de DFT, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup revelaram que não as vagas do oxigênio, mas as relações um pouco O-Ricas do Au-Apoio são importantes estabilizar nanoclusters do Au sob circunstâncias reais da reacção. Estes resultados mostram que o estado de oxidação do óxido de apoio é altamente relevante e pode igualmente indicar que o perímetro dos nanoclusters do Au é do interesse especial às reacções catalíticas.

Por meio dos filmes tempo-decorridos de STM, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup podem visualizar os nanoclusters do Au e resolver o comportamento dinâmico da espécie química actual na superfície2 de TiO. Isto dá a oportunidade de realizar um dos “Santos Graal” dentro da área, de que é “olhar directamente” reacções químicas na escala atômica, passo a passo, porque acontecem. Por exemplo, o Professor Besenbacher e o Dr. Thostrup revelaram que os defeitos tais como vagas e interstícios do Si jogam um papel chave dentro e podem ditar a química de superfície de seguimento da oxidação, tal como o fornecimento da carga eletrônica exigida para a adsorção O2 e a dissociação.

Veja http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano para os filmes de STM que mostram a dinâmica do movimento água-negociado do hidróxilo em TiO2.

Benefícios à Sociedade

Os catalizadores Industriais são invariàvel estrutural complexo e exame minucioso geralmente unamenable da atômico-escala com técnicas superfície-sensíveis de hoje. Da “na aproximação assim chamada superfície-ciência”, nós recorremos conseqüentemente ao sistema idealizado tal como aqueles apresentados acima. Estas simplificações brutas contudo, nós ainda executamos colaborações frutuosas da pesquisa com nossos sócios industriais.

Aos pesquisadores na indústria e na academia igualmente, o visualização do real-espaço é em si mesmo um grande factor inspirado, mas a elucidação de fenômenos fundamentais ou os parâmetros críticos da reacção ajudam-nos a aproximar o objetivo de projetar catalizadores novos dos primeiros princípios.


Referências

F. Besenbacher e outros, Ciência 279, 1913-1914 (1998).
J.V. Lauritsen e outros, J. Catal. 224, 94-106 (2004).
H. Topsøe e outros, Catal. Hoje 107-08, 12-22 (2005).
J.V. Lauritsen e outros, Natureza Nanotechnol. 2, 53 (2007)
D. Matthey e outros, Ciência 315, 1692-1696 (2007).
S. Wendt e outros, Ciência 320, 1755 (2008).
J. Matthiesen e outros, ACS 3 Nano, 517 (2009).
F. Besenbacher e outros, Ressaca. Sci. 603, 1325 (2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Flemming Besenbacher e Dr. Peter Thostrup (Centro Interdisciplinar de Nanoscience (iNANO), Universidade de Aarhus)

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

Last Update: 13. June 2013 23:36

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