Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
Posted in | Nanomaterials | Nanoanalysis

Μελέτη δείχνει ότι Συνεργατικών Σχηματισμών Platinum νανοσωματιδίων αποδειχθεί πιο δυναμικό για τις κυψέλες καυσίμου

Published on June 29, 2010 at 6:04 AM

Όταν πρόκειται για την μεταλλικών καταλυτών, το πρότυπο πλατίνα είναι, επίσης, η πλατίνα! Ωστόσο, σε περίπου 2.000 δολάρια η ουγγιά, η πλατίνα είναι πιο ακριβά από χρυσό. Το υψηλό κόστος της πρώτης ύλης που παρουσιάζει μεγάλες προκλήσεις για το μέλλον ευρείας κλίμακας χρήση της πλατίνας σε κυψέλες καυσίμου.

Η έρευνα του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), δείχνει ότι ένας πιθανός τρόπος για να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις είναι η προτεραιότητα στις μικρές επιχειρήσεις - πραγματικά μικρό.

Μια μελέτη με επικεφαλής τον Gabor Somorjai και Miquel Salmerón Υλικών Επιστημών Berkeley Lab του τμήματος έδειξε ότι υπό υψηλή πίεση, συγκρίσιμη με τις πιέσεις κατά την οποία λειτουργούν πολλές βιομηχανικές τεχνολογίες, clusters νανοσωματιδίων της πλατίνας μπορεί ενδεχομένως να έχουν καλύτερες επιδόσεις από την ενιαία κρύσταλλα της πλατίνας χρησιμοποιούνται τώρα στα καύσιμα κυττάρων και των καταλυτικών μετατροπέων.

Gabor Somorjai (αριστερά), μια αρχή για την κατάλυση και Miquel Salmerón, μια αρχή στην εικονιστική επιφάνεια, χρησιμοποίησε μια υψηλής πίεσης μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας για να παρατηρούν την επιφάνεια ενός καταλύτη πλατίνας υπό πραγματικές βιομηχανικές συνθήκες αντίδρασης.

"Έχουμε ανακαλύψει ότι η παρουσία των μορίων μονοξειδίου του άνθρακα μπορεί να αλλάξει αναστρέψιμα την καταλυτική επιφάνεια της πλατίνας μονοκρύσταλλοι, υποτίθεται ότι τα πιο θερμοδυναμικά σταθερές ρυθμίσεις για έναν καταλύτη πλατίνας,» δήλωσε ο Somorjai, έναν από τους διασημότερους εμπειρογνώμονες του κόσμου στη χημεία επιφανειών και κατάλυση. "Αυτό δείχνει ότι υπό υψηλή πίεση συνθήκες, ενιαία κρύσταλλα της πλατίνας δεν είναι τόσο σταθερό όσο nanoclusters, η οποία στην πραγματικότητα να γίνει πιο σταθεροποιηθεί ως μόρια μονοξειδίου του άνθρακα είναι συν-προσροφημένο μαζί με άτομα της πλατίνας."

"Τα αποτελέσματά μας δείχνουν επίσης ότι οι περιορισμοί των παραδοσιακών τεχνικών της επιστήμης επιφάνεια μπορεί να ξεπεραστεί με τη χρήση τεχνικών που λειτουργούν υπό ρεαλιστικές συνθήκες, λέει ο Salmerón, μια κορυφαία αρχή στην εικονιστική επιφάνεια και δημιουργός του in situ απεικόνιση και φασματοσκοπικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην παρούσα μελέτη . Είναι επίσης ο διευθυντής του Υλικών Τμήμα Επιστημών Berkeley Lab.

Σε αυτή τη μελέτη, μόνο επιφάνειες πλατίνα κρύσταλλο εξετάστηκαν υπό υψηλή πίεση. Οι επιφάνειες ήταν δομημένη ως μια σειρά από επίπεδα δώματα περίπου έξι άτομα ευρύ χωρίζονται από ατομική βήματα. Τέτοιες διαρθρωτικό χαρακτηριστικό είναι κοινά σε καταλύτες μετάλλων και τα οποία θεωρείται ότι είναι το ενεργό περιοχές όπου συμβαίνουν καταλυτικών αντιδράσεων. Οι μεμονωμένοι κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται ως μοντέλα για αυτά τα χαρακτηριστικά.

Somorjai και Salmerón επίστρωση των επιφανειών πλατίνα σε αυτή τη μελέτη με φυσικό αέριο μονοξειδίου του άνθρακα, ένα αντιδρών συστατικό που συμμετέχουν σε πολλές σημαντικές βιομηχανικές καταλυτικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης και της Fischer-Tropsch διαδικασία για την κατασκευή υγρών υδρογονανθράκων, η διαδικασία οξείδωσης στο αυτοκινήτων καταλυτικούς μετατροπείς, και την υποβάθμιση των ηλεκτρόδια πλατίνας σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου. Δεδομένου ότι η κάλυψη του μονοξειδίου του άνθρακα από τις επιφάνειες κρυστάλλου πλατίνα προσέγγισε 100-τοις εκατό, τα πεζούλια άρχισε να διευρυνθεί - το αποτέλεσμα της αύξησης της πλευρικής απέχθεια μεταξύ των μορίων. Όταν η πίεση επιφάνεια πλησίαζε τις Torr, τις βεράντες κάταγμα σε νανόμετρο μεγέθους συμπλέγματα. Οι βεράντες ήταν ανασχηματίστηκε μετά την αφαίρεση του αερίου μονοξειδίου του άνθρακα.

"Οι παρατηρήσεις μας της μεγάλης κλίμακας αναδιάρθρωσης επιφάνεια της πλατίνας ενισχυθεί αναδεικνύει τη στενή σχέση μεταξύ της κάλυψης των αντιδρών συστατικό μορίων και την ατομική δομή της επιφάνειας του καταλύτη», λέει ο Somorjai. "Η ικανότητα να παρατηρούν καταλυτικές επιφάνειες σε ατομικό και μοριακό επίπεδο κάτω από πραγματικές συνθήκες αντίδρασης είναι ο μόνος τρόπος για ένα τέτοιο φαινόμενο θα μπορούσε να ανιχνευθεί."

Καταλύτες - ουσίες που επιταχύνουν τα ποσοστά των χημικών αντιδράσεων, χωρίς οι ίδιοι να αλλάξει χημικά - που χρησιμοποιούνται για την κίνηση σχεδόν σε κάθε βιομηχανική διαδικασία παραγωγής που περιλαμβάνει χημεία. Καταλύτες μετάλλων είναι η workhorses με την πλατίνα να είναι ένα από τα καλύτερα. Βιομηχανική καταλύτες συνήθως λειτουργούν κάτω από πιέσεις που κυμαίνονται από millitorr σε ατμόσφαιρες, και σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από δωμάτιο σε εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου. Ωστόσο, τα πειράματα της επιστήμης επιφάνεια είναι κατά παράδοση γίνεται υπό συνθήκες υψηλού κενού και χαμηλές θερμοκρασίες.

"Οι όροι αυτοί θα εμποδίσουν πιθανή οποιαδήποτε διαδικασία αναδιάρθρωσης επιφάνεια που απαιτεί την υπερκέραση των εμποδίων ακόμη και μέτρια ενεργοποίησης," λέει ο Somorjai.

Λέει Salmerón, «Το αναπάντητο ερώτημα σήμερα είναι ποια είναι η γεωμετρία και η θέση των ατόμων καταλύτη, όταν οι επιφάνειες που καλύπτονται με τα πυκνά στρώματα των μορίων, όπως συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης."

Somorjai και Salmerón εδώ και πολλά χρόνια συνεργάζεται για την ανάπτυξη των οργάνων και οι τεχνικές που θα τους επιτρέπουν να κάνουν μελέτες κατάλυση σε πραγματικές συνθήκες. Τώρα έχουν στη διάθεσή τους το μοναδικό υψηλής πίεσης σάρωση tunneling μικροσκόπια (ΕΕΜ) και την πίεση του περιβάλλοντος x-ray φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων (AP-XPS) beamline που λειτουργούν σε προχωρημένους πηγή φωτός του Berkeley Lab, μια πρεμιέρα πηγή της ακτινοβολίας σύγχροτρου για την επιστημονική έρευνα.

"Με αυτούς τους δύο πόρους, μπορούμε να την εικόνα της ατομικής δομής και τον προσδιορισμό της χημικής κατάστασης των ατόμων καταλύτη και προσροφημένο αντιδρών συστατικό μορίων υπό βιομηχανικού τύπου πιέσεις και θερμοκρασίες," λέει ο Salmerón.

Εικόνες STM αποκάλυψε τον σχηματισμό nanoclusters στις επιφάνειες κρύσταλλο πλατίνα, και το AP-XPS φασμάτων αποκάλυψε μια αλλαγή του μονοξειδίου του άνθρακα ηλεκτρονίων δεσμευτικές ενέργειες. Η επακόλουθη συνεργασία με την Λιν-Γουάνγκ Wang, ένας θεωρητικός στην Υπολογιστική Τμήματος Επιστημών Berkeley Lab, εξήγησε την αλλαγή στη δομή με το αποτέλεσμα της χαλάρωσης των ισχυρή άπωση μεταξύ των μορίων του μονοξειδίου του άνθρακα που προέρχεται από πολύ υψηλή πυκνότητα τους στην επιφάνεια, όταν βρίσκεται σε ισορροπία με αυξημένη πίεση του αερίου.

«Στο μέλλον, η χρήση αυτών των σταθερών nanoclusters πλατίνα ως καταλύτες κυψελών καυσίμου μπορεί να συμβάλει στην ενίσχυση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους," λέει ο Somorjai.

Το επόμενο βήμα για Somorjai και Salmerón και ερευνητική ομάδα τους θα είναι να προσδιοριστεί αν άλλες προσροφημένο αντιδρώντων, όπως το οξυγόνο και το υδρογόνο, επίσης ως αποτέλεσμα τη δημιουργία του nanoclusters σε πλατίνα. Θέλουν επίσης να γνωρίζουν αν nanoclusters μπορεί να προκληθεί και σε άλλες μεταλλικών καταλυτών, καθώς, όπως το παλλάδιο, ασήμι, χαλκό, ρόδιο, ο σίδηρος και το κοβάλτιο.

"Εάν αυτή η nanoclustering είναι ένα γενικό φαινόμενο, θα έχει σημαντικές συνέπειες για τον τύπο των δομών που καταλύτες πρέπει να έχουν υπό υψηλή πίεση, υψηλή θερμοκρασία καταλυτική συνθήκες αντίδρασης», λέει ο Somorjai.

Πηγή: http://www.lbl.gov/

Last Update: 4. October 2011 12:21

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit