Dinâmica de Sistemas Modelo Nanocatalytical

O mundo está enfrentando uma variedade de desafios sérios na obtenção de produtos químicos mais eficientes e sustentáveis ​​e de produção de energia. Catálise já desempenha um papel central nessas tecnologias, mas novos catalisadores e de baixo custo são urgentemente necessárias se quisermos enfrentar os desafios globais. Microscopia de tunelamento (STM) é uma técnica real-espaço único de sistemas modelo de catalisador que pode fornecer novos insights sobre industrial sistemas catalíticos identificar os sítios ativos, a importância dos sites de defeito, e efeitos de apoio. Estamos nos aproximando de uma era onde fundamentais em escala atômica insights sobre estrutura da superfície e reatividade pode levar à concepção de um novo catalisador superiores operando sob condições tecnicamente relevantes.

Passo-a-Passo Surface-catalíticas

Nosso primeiro exemplo lida com a concepção de um catalisador de vapor-reforma nova. Enquanto o ouro e níquel são imiscíveis na massa, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup na Interdisciplinar Nanociência Center (Inano ) descobriram que os dois fazem de fato formam uma liga de superfície. Tomados em conjunto com o facto de Ni, quando usado como um catalisador de vapor-reforma, é rapidamente passivado por formação de grafite, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup investigou se a liga Au-Ni superfície é mais resistente.

A partir de imagens de alta resolução STM foi revelado que os átomos de Au liga na superfície da camada Ni perturbar a estrutura eletrônica dos átomos de Ni nas proximidades, no sentido de que os átomos de Ni com um átomo de Au vizinhos são gravadas pelos mais brilhantes STM (ver figura abaixo ). Isso tem o efeito surpreendente de reduzir a tendência da superfície para ligar de grafite de carbono e forma. Estas descobertas fundamentais inspirou a síntese de uma área de superfície elevada, MgAl ₂ O ₄ com suporte Au-Ni-reforma a vapor catalisador.

Como um segundo exemplo, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup resolvido com sucesso uma reação intermediária na hidrogenodessulfurização (HDS) de processo, que é empregado em praticamente todos os produtos de combustão derivados do petróleo e, como tal, um fator muito importante na redução de emissões de enxofre. Nossas imagens atomicamente resolvidas revelou uma até então desconhecida eletrônico "borda" do Estado com caráter metálico nas bordas da cataliticamente ativa MoS ₂ nanopartículas. Acontece que este estado brim confere características químicas incomuns para o ₂ MoS clusters.

A figura abaixo mostra a reação intermediária cis-but-2-eno-tiolatos (C ₄ H ₇ S-), coordenado através do átomo de enxofre terminal até a borda metálica formada a partir da hidrogenação parcial de tiofeno (C ₄ H ₄ S). Com base no conhecimento adquirido a partir dos estudos detalhados STM combinado com cálculos teóricos de DFT, nossos colaboradores em Haldor Topsoe A / S recentemente conseguiu sintetizar um novo tipo de catalisadores superiores HDS, a aba hidrotratamento catalisadores.

Terceiro, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup lidou com a descoberta surpreendente de que a atividade catalítica de nanopartículas de Au finamente dispersos sobre TiO ₂ rutilo suporta excede os de usados ​​metais de transição catalisadores, tais como Pt, Rh e Pd. Atualmente, o problema mais sério associado com Au nanocatalisadores é a sua estabilidade a longo prazo, uma vez que quando o Au nanopartículas de sinter, eles desativar.

De interação entre STM e os resultados DFT, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup revelaram que as vagas não de oxigênio, mas ricas em Au O suporte de interfaces são importantes para estabilizar nanopartículas de Au sob condições de reação real. Estes resultados mostram que o estado de oxidação do óxido de apoio é altamente relevante e também pode indicar que o perímetro do nanopartículas Au é de especial interesse para reações catalíticas.

Por meio de filmes-tempo decorrido STM, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup pode visualizar as nanopartículas de Au e resolver o comportamento dinâmico das espécies químicas presentes no ₂ TiO superfície. Isso dá a oportunidade de realizar um dos "Santo Graal" dentro da área, que é diretamente "vigiar" as reações químicas em escala atômica, passo-a-passo, como eles acontecem. Por exemplo, Professor Besenbacher e Dr. Thostrup revelaram que os defeitos, tais como vagas e interstitials Ti desempenham um papel fundamental e pode ditar a química de oxidação que se seguiu superfície, tais como o fornecimento da carga eletrônica necessária para O2 de adsorção e dissociação.

Ver http://phys.au.dk/forskning/condensed-matter-physics/spm/stm-movies/azonano para filmes STM mostrando a dinâmica da água mediada movimento hidroxila em TiO _2.

Benefícios para a Sociedade

Catalisadores industriais são, invariavelmente, estruturalmente complexa e geralmente inacessíveis à escala atômica escrutínio de hoje com superfície sensível técnicas. Na chamada "abordagem superficial da ciência", que, portanto, recorrer ao sistema idealizado como as apresentadas acima. Estas simplificações bruta, não obstante, ainda corremos colaborações de pesquisa frutífero com os nossos parceiros industriais.

Para os pesquisadores na indústria e academia tanto, real-espaço de visualização em si é um fator de grande inspiração, mas a elucidação de fenômenos fundamentais ou parâmetros de reação crítica nos ajudar a abordar o objetivo de projetar novos catalisadores de primeiros princípios.

Referências

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

Copyright AZoNano.com, Professor Flemming Besenbacher e Dr. Peter Thostrup (Interdisciplinar Nanociência Center (Inano), Aarhus University)