Группа исследователей под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), входящей в состав Министерства энергетики США (DOE), разработала и изготовила катализаторы, которые могут увеличить скорость окисления угарного газа в девять раз. Окисление угарного газа — это важная реакция, используемая во многих отраслях химической промышленности и для очистки окружающей среды.
Передовой метод изготовления включал в себя внесение точных изменений на атомном уровне в катализаторы для создания новых химических свойств, повышающих производительность.
«Наше исследование позволило глубже понять химическую структуру, механизмы реакций и характеристики этих передовых катализаторов», — сказал Джи Су, научный сотрудник отдела энергетических технологий Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (ETA). «Это открывает новую эру в разработке катализаторов, которая может значительно повысить эффективность производства в широком спектре химической промышленности и экологических приложений».
Исследование было опубликовано в журнале Science. В сотрудничестве участвовали Национальная лаборатория Ок-Риджа и несколько других учреждений.
Катализаторы — это материалы, которые увеличивают скорость химических реакций. Химическая промышленность в значительной степени полагается на катализаторы, чтобы сделать производство более рентабельным и качественным: около 95% топлива и химических продуктов используют один или несколько катализаторов в процессе производства. В автомобилях катализаторы используются для окисления вредных выбросов в выхлопных газах, включая несгоревшее топливо и угарный газ.
Помимо более высокой скорости реакции, ещё одним желаемым свойством катализатора является селективность. Это относится к способности катализатора активировать более эффективные пути реакции, максимизировать выход желаемых продуктов и минимизировать количество отходов.
Традиционно катализаторы изготавливались путём создания частиц или кластеров из сотен атомов. В последние годы исследователи изучают передовые методы изготовления, которые включают манипулирование отдельными атомами металлов на поверхности катализатора. Идея состоит в том, чтобы адаптировать химические свойства, которые обеспечивают более быстрые и селективные каталитические реакции.
Команда разработала новый процесс обработки, который включает размещение одного атома платины в определённом месте на поверхности оксида церия, при этом платина заменяет атом церия.
«Этот процесс похож на установку бриллианта на опорную конструкцию на кольце», — сказал Су из отдела хранения энергии и распределённых ресурсов ETA.
Затем, в процессе, похожем на сборку из кубиков LEGO, исследователи применили молекулы водорода к структуре платины и церия. Молекулы водорода расщепляются на атомы, которые связываются с церием. Для сравнения команда также создала контрольный катализатор, произвольно загрузив атом платины на поверхность оксида церия без какой-либо обработки водородом.
Команда протестировала производительность катализаторов в двух реакциях. Первая — окисление угарного газа с получением углекислого газа. Вторая — удаление водорода из пропана для получения пропилена, который является важным сырьём в производстве пластмасс. Последний стал перспективной альтернативой традиционному производству пропилена.
Точно настроенный катализатор окислял угарный газ в девять раз быстрее, чем контрольный катализатор. Он также в 2,3 раза более селективен при преобразовании пропана в пропилен.
Двумя важными участниками были Центр перспективных источников света и Молекулярный камнедром, которые являются объектами Министерства энергетики США, расположенными в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Исследователи использовали методы визуализации высокого разрешения Молекулярного камнедрома, чтобы визуализировать платину, вставленную в поверхность.
Они также использовали Молекулярный камнедром для проведения моделирования, чтобы охарактеризовать атомные структуры и пути реакций. Исследователи из Центра перспективных источников света применили метод, называемый рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией при атмосферном давлении, чтобы определить заряд платины (+2), что помогло команде лучше понять взаимодействие платины и церия.
Кроме того, учёные использовали метод рассеяния нейтронов в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США, чтобы охарактеризовать связь церия и водорода. Исследователи использовали синхротрон в Национальном центре синхротронного излучения в Тайване, чтобы охарактеризовать всю структуру катализатора.
Статья команды завершает серию из восьми статей, опубликованных исследовательской группой Су с 2019 года. Вместе эти исследования рисуют полную картину этих инновационных катализаторов — их изготовления, структуры, свойств, химических взаимодействий и эффективной работы.