Yüksek Sıcaklık Şok Dalgaları ile Tek Atom Katalizörlerini Stabilize Etme

Bunlar, karbon substrat denizi üzerine yayılan tek platin atomlarıdır. Kredi: Zhennan Huang ve Reza Shahbazian-Yassar, Makine ve Endüstri Mühendisliği Bölümü, Chicago'daki Illinois Üniversitesi

Yüksek Sıcaklık Şok Dalgaları ile Tek Atom Katalizörlerini Stabilize Etme

Tek atomlar katalizör olarak harika çalışır, ancak genellikle uzun süre bekar kalmazlar. Argonne bilim adamları, yerlerini korumak için yüksek sıcaklıkta şok dalgaları kullanan bir ekibin parçasıdır.

Kataliz araştırmalarında gündemdeki bir sıcak konu, tek atomlu katalizörlerin geliştirilmesidir - atomları birbirine bağlı olmayanlar. Tek atomlu katalizörlerin açığa çıkmasındaki artış, katalitik performans için atom kullanım verimliliğini en üst düzeye çıkarır, yakıt ve ilaç üretimi gibi önemli işlemlere yardımcı olur.

Stabil tek atomlu katalizörlerin sentezlenmesi zorlayıcıdır, çünkü metanın dönüşümü gibi en faydalı katalitik reaksiyonların çoğu sadece yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilir. Kararlı bir durumda kalmak için, tek bir atom genellikle yüksek sıcaklıklar sistemde kararsızlıkta bir artışa neden olarak katalitik performanslarında bir düşüşe neden olduğunda kümelenir.

“Burada durmak istemiyoruz. Bu yeni yöntemi ortak tepkilerde incelemek ve daha sonra diğer malzemelere genellemek istiyoruz. ”- Tianpin Wu, Argonne bilim adamı

ABD Enerji Bölümü'ndeki (DOE) Argonne Ulusal Laboratuarı'ndaki bilim adamları, birden fazla üniversitenin ortaklarıyla birlikte, katalizör ve substratın tekrarlanan yüksek sıcaklık şok dalgalarına maruz kalmasının katalizörü tek atomlara kırdığını ve sistemin kararlı kalmasını sağladığını gösterdi benzeri görülmemiş bir zaman dilimi.

Bu önemli keşifte, bilim adamları katalizör için platin ve substrat için karbon kullandılar. Platin, yakıt hücrelerinin kullanılması ve doğal gazın daha kullanışlı formlara dönüştürülmesi gibi birçok önemli reaksiyon için bir katalizör görevi görür.

Doğa Nanoteknolojisinde yakın zamanda ortaya çıkan çalışma, çok sayıda ulusal laboratuvar ve üniversiteler arasındaki disiplinlerarası işbirliğinden faydalandı. Isı darbesi sırasında sistemin bilgisayar modelleri Maryland Üniversitesi'nden geldi. Sistemin nasıl davranacağı konusundaki tahminler, Johns Hopkins Üniversitesi'nde yapılan reaksiyon testleri ve bir DOE Bilim Kullanıcı Tesisi olan Argonne'nin Gelişmiş Foton Kaynağı'ndaki (APS) X-ışını absorpsiyon spektroskopisi sırasında elde edilen gerçek sonuçlarla yakından aynıydı. Atomik çözünürlük mikroskobu kullanılarak yerinde stabilite testi, Chicago'daki Illinois Üniversitesi'nde ve Pacific Northwest Ulusal Laboratuarı'ndaki bir başka DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı'nda yapıldı.

X-ışını Bilim bölümü Spektroskopisi grubu tarafından işletilen APS ışın hattı, X-ışını absorpsiyon spektroskopisinde uzmanlaşmıştır ve enerji depolaması, kataliz ve çevre bilimi gibi alanlardan çok çeşitli kullanıcılara ev sahipliği yapmaktadır. Bu çalışmada sistem için kullandıkları teknik, tek atomlu katalizin benzersiz karakteristiğini yapabiliyor. Bilim adamları, 10 şok dalgasından sonra, neredeyse hiç platin-platin bağı olmadığını ve platinin, sistemin performansını artırmada önemli olan karbon substrat ile bağlandığını gösterebildiler.

Bilim adamları, platin atomlarını bir karbon yüzeyinin üzerine yaydılar ve düşük sıcaklıklarda, platin karbon ile tek tek atomlar olarak birleşmek yerine bir araya toplandılar. Bir yüksek sıcaklık şok dalgası - veya sıcaklığın nabzı - platin adaları dağılmaya başladı ve 10 darbeden sonra, platin eşit şekilde dağıldı ve karbona ekildi.

Bu deneyler, 2000 K'ye kadar rekor yüksek sıcaklıklarda, Dünya yüzeyinin altındaki en sıcak magmadan bile daha yüksek bir sıcaklıkta şok dalgaları kullanılarak gerçekleştirildi ve reaksiyon potansiyeli ile olgunlaşmış stabil bir katalitik ortam meydana geldi. Sistem, sentezden sonra 50 saatten fazla bir süre boyunca kararlı kaldı.

Şok dalgası metodu, kendilerine bağlanan tek atomların ortak problemini atlar çünkü atomları yüksek sıcaklıklara ısıtırken, enerji sıçramaları hareket etmelerine ve önceden mevcut bağlarını kırmalarına neden olur. Bu kararsızlık, platin-platin bağlarını bozar ve platinin karbonun üzerine yayılmasını sağlar ve karbon moleküllerine bağlanması için enerji açısından kararlı fırsatlar sağlar. Her ilave şok dalgasında, platin atomları gittikçe daha fazla yayıldı.

Çalışmadaki bir Argonne bilim insanı olan Spectroscopy grubundan Tianpin Wu, “Platin ve karbon arasındaki bağlar güçlüdür, bu yüzden platini kendinden ayırır ve karbonla bağlanırsa orada kalacak” dedi. “Karbon toprak gibidir ve platin güçlü kökleri olan bir çiçek gibidir - sistem çok kararlıdır.”

Tek atomlu katalizörlerin sentezlenmesi için bir yöntem olarak termal şok dalgalarının kullanılması, geleneksel olarak zorlu olan katalitik ortamlara ulaşmanın zaman etkili ve yaygın olarak uygulanabilir bir yoludur. Ekip, bu yöntemi, yöntemin nasıl çalıştığı hakkında daha genel bir teori elde etmek için rutenyum ve kobalt gibi diğer önemli katalizörleri sentezlemek için karbon nitrür ve titanyum dioksit substratları ile birlikte kullanmayı planlıyor.

Wu, “Burada durmak istemiyoruz” dedi. “Bu yeni yöntemi ortak tepkilerde incelemek ve ardından diğer malzemelere genellemek istiyoruz.”

Wu, “Yüksek sıcaklıktaki tek atomlu platin katalizörümüzün, metan dönüşümündeki geleneksel platin nanoparçacıklarla olan performansını karşılaştırdık ve uzun süre seçicilik ve termal stabilitede önemli bir gelişme gördük” dedi.

Ekip, tekli atomları 3000 K'ye kadar şok dalgaları ile işlemden geçirerek sistemin termal stabilitesini test etmeye devam etti. Sonuçta, hala maksimum atom kullanım verimliliğine izin veren tek atomlu bir deniz vardı.

Wu, “Bu çalışma bir bilmece gibiydi ve tüm ortak çalışanların katkıları sistemin ayrıntılı bir resmini almak için gerekliydi” dedi. “Tekniklerden hiçbiri tek başına hikayeyi anlatamazdı, ama birlikte bu yöntemin olduğu kadar başarılı olduğunu gösterdik.”


Kaynakça:

Argonne Ulusal Laboratuvarı, bilim ve teknolojideki ulusal sorunların önlenmesine yönelik çözümler aramaktadır. Ülkenin ilk ulusal laboratuarı olan Argonne, neredeyse her bilim dalında temel ve uygulamalı bilimsel araştırmalar yürütüyor. Argonne araştırmacıları, kendi sorunlarını çözmek, Amerika'nın bilimsel liderliğini ilerletmek ve ülkeyi daha iyi bir geleceğe hazırlamak için yüzlerce şirket, üniversite ve federal, eyalet ve belediye kurumundan araştırmacılarla yakın bir şekilde çalışıyor. 60'tan fazla ülkeden çalışanı olan Argonne, ABD Enerji Dairesi için UChicago Argonne, LLC tarafından yönetilmektedir.

ABD Enerji Dairesi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki fizik bilimlerindeki temel araştırmaların en büyük destekçisidir ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır.