دانشمندان بر روی جفت اتمهایی قرار دارند که باعث افزایش فعالیت کاتالیزور می شوند

آنها دریافتند که محیط کثیف یک واکنش شیمیایی در واقع می تواند شکل یک نانوذرات کاتالیزوری را به شکلی تغییر دهد که باعث فعال تر شدن آن شود
آزمایشگاه ملی شتاب دهنده گرگ استوارت / SLAC

در یک مطالعه در SLAC و استنفورد ، نظریه پردازان پیش بینی کرده اند که نانوذرات کاتالیزوری ساخته شده از پالادیوم و پلاتین (سمت چپ) در طی واکنش های شیمیایی خاص (وسط) گردتر می شوند و با ایجاد جفت اتمهایی که به خصوص مکان های فعال کننده کاتالیزوری هستند ، ویژگی های گام به گام ایجاد می کنند. آزمایشات و تصاویر میکروسکوپ الکترونی مانند نمونه در سمت راست تأیید کردند که این مورد است ، و درک جدیدی از نحوه عملکرد کاتالیزورها ارائه می دهد.

بزرگنماییقبلی بعد
جایگزینی فلزات گران قیمت که گازهای اگزوز را در مبدل های کاتالیزوری با مواد ارزانتر و مؤثرتر تجزیه می کنند ، از نظر اقتصادی و هم از نظر زیست محیطی اولویت اصلی دانشمندان است. کاتالیزورها باید واکنشهای شیمیایی را انجام دهند که در غیر این صورت اتفاق نمی افتد ، مانند تبدیل گازهای آلاینده از اگزوز خودرو به ترکیبات تمیز که می توانند در محیط آزاد شوند. برای بهبود آنها ، محققان نیاز به درک عمیق تری از نحوه عملکرد کاتالیزورها دارند.

اکنون تیمی در دانشگاه استنفورد و آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC وزارت انرژی دقیقاً مشخص کرده اند که کدام جفت اتم در یک نانوذره از پالادیوم و پلاتین - ترکیبی که معمولاً در مبدل ها استفاده می شود - از بین رفتن این گازها فعال ترین هستند.

آنها همچنین به سؤالی که محققان كاتالیزور را متعجب كرده است پاسخ دادند: چرا ذرات كاتالیزور بزرگتر گاهی اوقات بهتر از اندازه كوچكتر عمل می كنند ، وقتی انتظار خلاف آن را دارید؟ پاسخ مربوط به نحوه تغییر ذرات در طی واکنش است و باعث ایجاد تعداد بیشتری از سایتهای بسیار فعال می شود.

Matteo Cargnello ، استادیار مهندسی شیمی در استانفورد که هدایت تیم تحقیق را بر عهده دارد ، گفت: نتایج یک گام مهم به سمت کاتالیزورهای مهندسی برای عملکرد بهتر در فرآیندهای صنعتی و کنترل انتشار می باشد.

"هیجان انگیزترین نتیجه این کار مشخص کردن محل واکنش کاتالیزوری است - در کدام سایتهای اتمی می توانید این شیمی را انجام دهید که یک گاز آلاینده می گیرد و آن را به آب و دی اکسید کربن بی ضرر تبدیل می کند ، که این کار بسیار مهم و فوق العاده دشوار است ، "کارگنلو گفت. "اکنون که می دانیم مکانهای فعال در کجا قرار دارند ، می توانیم کاتالیزوری را مهندسی کنیم که بهتر کار کند و از مواد کمتری استفاده کنیم."

در مبدل کاتالیزوری خودرو ، نانوذرات فلزات گرانبها مانند پالادیوم و پلاتین به یک سطح سرامیک متصل می شوند. با ورود گازهای انتشار ، اتمهای روی سطح نانوذرات بر روی مولکولهای گاز منتقل شده و آنها را ترغیب می کنند که با اکسیژن واکنش نشان دهند تا آب ، دی اکسید کربن و سایر مواد شیمیایی کمتر مضر را تشکیل دهند. یک ذره واحد قبل از خسته شدن ، میلیاردها واکنش را کاتالیز می کند.

کارگنلو گفت ، امروزه مبدل های کاتالیزوری به گونه ای طراحی شده اند که در دماهای بالا کار کنند. با توجه به اینکه موتورهای بیشتری برای کار در دماهای پایین تر طراحی شده اند ، نیاز مبرم به شناسایی کاتالیزورهای جدید است که در این دماهاها عملکرد بهتری دارند ، همچنین در کشتی ها و کامیون هایی که بعید است به زودی عملکرد الکتریکی را تغییر دهند.

اما چه چیزی باعث می شود که یک کاتالیزور از دیگری فعال تر باشد؟ جواب گریزان بوده است.

در این مطالعه ، تیم تحقیقاتی نانوذرات كاتالیست ساخته شده از پلاتین و پالادیوم را از دو منظر - نظریه و آزمایش - بررسی كردند تا ببینند آیا آنها می توانند ساختارهای اتمی خاصی را در سطح خود شناسایی كنند كه در فعالیت بالاتر نقش دارند.

ذرات گرد با لبه های فشرده
از طرف تئوری ، دانشمند کارکنان SLAC ، فرانک آیلدل-پدرسن و گروه تحقیقاتی وی در مرکز علوم رابط و کاتالیز SUNCAT رویکرد جدیدی را برای مدل سازی نحوه قرار گرفتن در معرض گازها و بخار در طی واکنشهای شیمیایی بر شکل و ساختار اتمی یک کاتالیزوری ایجاد کردند. Abild-Pedersen گفت ، این از نظر محاسباتی بسیار دشوار است ، و مطالعات قبلی تصور می كردند كه ذرات موجود در خلاء بوده و هرگز تغییر نمی یابند.

گروه وی روشهای جدید و ساده تری برای مدل سازی ذرات در یک محیط پیچیده تر و واقع بینانه تر ایجاد کردند. محاسبات محققان بعد از دکترا Tej Choksi و Verena Streibel اظهار داشتند که با شروع واکنش ها ، نانوذرات هشت ضلعی گردتر می شوند و سطوح صاف و شبیه به صورت آنها به یک سری مراحل کوچک لرزان تبدیل می شوند.

این تیم با ایجاد و آزمایش نانوذرات در اندازه های مختلف ، هر کدام با نسبت متفاوتی از لبه های فشرده به سطوح صاف ، امیدوار بودند که دقیقاً در کدام تنظیمات ساختاری ، و حتی کدام اتم ها ، بیشترین فعالیت کاتالیزوری ذرات را داشته باشند.

كمي كمك از آب
آنجل یانگ ، دانشجوی دکترا در گروه کارگنلو ، نانوذرات را با اندازه های دقیقاً کنترل شده ساخت که هرکدام حاوی مخلوط یکنواخت توزیع شده از اتم های پالادیوم و پلاتین بودند. برای انجام این کار ، او مجبور شد روش جدیدی را برای ساختن ذرات بزرگتر با بذر درآوردن آنها در اطراف قطعات کوچکتر ایجاد کند. یانگ از پرتوهای اشعه ایکس از Stacford Synchrotron Radiation Lightsource SLAC برای تأیید ترکیب نانوذرات ساخته شده با کمک Simon Bare و تیمش SLAC استفاده کرد.

سپس یانگ آزمایشاتی را انجام داد که نانوذرات در اندازه های مختلف برای کاتالیز واکنشی که به پروپن ، یکی از متداول ترین هیدروکربنهای موجود در اگزوز وجود دارد ، به دی اکسید کربن و آب تبدیل شد.

وی گفت: "آب اینجا نقش بسیار جالب و مفیدی داشت." "به طور معمول کاتالیزورها را سموم یا غیرفعال می کند. اما در اینجا قرار گرفتن در معرض آب باعث می شود ذرات گرد شده و مکانهای فعال تری باز کنند."

نتایج نشان داد که ذرات بزرگتر فعال تر بوده و در طول واکنش ها گردتر و متراکم تر می شوند. ذرات فعال شامل بیشترین تعداد تنظیمات اتمی خاص است - یکی از آنها که در آن دو اتم ، هر کدام با هفت اتم همسایه احاطه شده اند ، جفت هایی را برای انجام مراحل واکنش تشکیل می دهند. این "جفت های 7-7" بود که به ذرات بزرگ اجازه می داد عملکرد بهتری نسبت به قطعات کوچکتر داشته باشند.

یانگ اظهار داشت ، امیدوار است كه چگونه نانوذرات را با مواد بسیار ارزانتر بذر بكشد تا هزینه آنها را كاهش دهد و استفاده از فلزات گرانبها را كاهش دهد.

علاقه به صنعت
این تحقیق توسط شرکت BASF از طریق اتحاد تحقیقاتی کالیفرنیا تأمین شد ، که تحقیقات بین دانشمندان BASF و هفت دانشگاه ساحل غربی از جمله استانفورد را هماهنگ می کند.

یوجین لی ، یک ارشد گفت: "این مقاله به سؤالات اساسی در مورد سایت های فعال می پردازد ، با نظریه و دیدگاه های تجربی به روشی واقعاً زیبا برای توضیح پدیده های تجربی گرد هم می آیند. این قبلاً هرگز انجام نشده است ، و به همین دلیل بسیار مهم است." دانشمند اصلی با BASF که در مطالعه شرکت کرده است.

اما چه چیزی باعث می شود که یک کاتالیزور از دیگری فعال تر باشد؟ جواب گریزان بوده است.