Forscher enthüllen Details der aktiven Stellen von Katalysatoren im atomaren Maßstab
Neue Technik des CNSI an der UCLA könnte zu Designansätzen führen, die die Leistung von chemischen Reaktionen optimieren
Die chemische Industrie und die Energiewirtschaft sind auf Katalysatoren angewiesen, um die Reaktionen zur Herstellung ihrer Produkte voranzutreiben. Bei vielen wichtigen Reaktionen kommen heterogene Katalysatoren zum Einsatz, d. h. die Katalysatoren befinden sich in einer anderen Materiephase als die Stoffe, mit denen sie reagieren, wie z. B. festes Platin, das mit Gasen im Katalysator eines Autos reagiert.
Die Studie, die in der Juli-Ausgabe von Nature Catalysis veröffentlicht wurde, wurde von den CNSI-Mitgliedern Jianwei "John" Miao, Professor für Physik und Astronomie, Yu Huang, Lehrstuhl für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, und Philippe Sautet, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der UCLA, geleitet.
CNSI at UCLA
Wissenschaftler haben die Oberfläche von gut definierten Einkristallen untersucht und dabei die Mechanismen vieler chemischer Reaktionen aufgeklärt. Es gibt jedoch noch viel mehr zu lernen. Bei heterogenen Katalysatoren waren ihre atomare 3D-Struktur, ihre chemische Zusammensetzung und die Beschaffenheit ihrer aktiven Stellen, an denen die Reaktionen ablaufen, lange Zeit ein Rätsel.
Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Mitgliedern des California NanoSystems Institute an der UCLA die 3D-Atomkoordinaten, die chemische Zusammensetzung und die Oberflächenbeschaffenheit von heterogenen Nanokatalysatoren - in der Größenordnung von Milliardstel Metern - bestimmt, die bei chemischen Reaktionen mit Strom verwendet werden.
Die Technik des Teams könnte das grundlegende Verständnis der aktiven Stellen von Katalysatoren grundlegend verändern und Ingenieure in die Lage versetzen, Nanokatalysatoren auf rationale Weise so zu gestalten, dass ihre Leistung optimiert wird, während die derzeitigen Methoden eher auf Versuch und Irrtum beruhen.
Die Studie wurde von den korrespondierenden Autoren und CNSI-Mitgliedern Jianwei "John" Miao, einem Professor für Physik und Astronomie am UCLA College, Yu Huang, dem Traugott und Dorothea Frederking Stiftungsprofessor und Vorsitzenden der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCLA Samueli School of Engineering, und Philippe Sautet, einem angesehenen Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik und stellvertretenden Vorsitzenden für Graduiertenausbildung an der UCLA Samueli, geleitet.
Mithilfe der von ihnen entwickelten Mikroskopietechnik, der so genannten Atomelektronentomografie, untersuchte das Team 11 Nanopartikel, die entweder nur aus einer Platin-Nickel-Legierung oder aus dieser Legierung und Spuren von Molybdän, einem anderen Metall, das als Katalysator dienen kann, bestehen. Die Forscher konnten eine Vielzahl von Merkmalen mit atomarer Auflösung messen, darunter die Facetten der Nanopartikel, ihre Oberflächeneindrücke und die relative Ordnung der Strukturen und chemischen Komponenten der Katalysatoren.
Die Daten aus der atomaren Elektronentomographie wurden in Modelle der künstlichen Intelligenz eingefügt, die auf der Grundlage grundlegender physikalischer und chemischer Prinzipien trainiert wurden. Mit Hilfe der Algorithmen identifizierten die Forscher die aktiven Stellen, an denen die Katalyse stattfindet. Diese Erkenntnisse wurden dann mit realen Messungen validiert.
Die Beobachtungen der Wissenschaftler ergaben, dass die chemische Aktivität an den Platinstellen an der Oberfläche stark variiert - um mehrere Größenordnungen. Das Team führte eine umfassende Analyse der Beziehung zwischen der Struktur der Nanokatalysatoren und der chemischen Aktivität auf der Ebene einzelner Atome durch, um eine Gleichung zu formulieren, die quantitative Einblicke in die aktiven Stellen der Nanokatalysatoren ermöglicht.
Obwohl sich diese Studie auf Nanokatalysatoren aus Platinlegierungen in einer spezifischen elektrochemischen Reaktion konzentrierte, kann die allgemeine Methode auf eine breite Palette von Nanokatalysatoren für verschiedene Reaktionen angewandt werden, um die lokalen 3D-Positionen der Atome sowie die Elementzusammensetzung und die Oberflächenzusammensetzung der Katalysatoren zu bestimmen.
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Originalveröffentlichung
"Atomic-scale identification of active sites of oxygen reduction nanocatalysts"; Nature Catalysis 2024.
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