惊人的效果使钯催化剂更好

作者:七位数 | 2019-12-11 06:12

  巧克力蛋糕结冰的味道不应该取决于它是在瓷器还是银盘上。类似地,对于大的贵金属颗粒表面上的化学反应,基底(所谓的支撑)不应起关键作用。催化颗粒通常具有跨越数千个原子的直径,因此它们所支撑的载体不应该影响远离界面的另一侧的化学反应 - 至少这被认为是迄今为止。

  在TU Wien进行的实验研究导致了令人惊讶的发现。钯颗粒(也用于废气催化剂)的化学过程在放置在特定载体材料上时发生了显着变化 - 尽管载体材料在化学反应本身几乎无活性。这种新颖的见解现已发表在“ 自然材料 ”杂志上。

  对于使用内燃机的车辆,必须将有毒的一氧化碳(CO)转化为二氧化碳(CO 2)。这通过使用含有钯或铂粉末的催化剂来实现。“我们研究了粉末颗粒上的化学反应,这种反应通常用于工业催化,”TU Wien材料化学研究所的GntherRupprechter教授说。“贵金属颗粒的直径大约为100微米 - 根据纳米技术标准,这是非常大的,人们几乎可以用肉眼看到它们。”

  当粉末颗粒的表面被氧原子覆盖时,​​CO分子与它们反应并转化为CO 2,在氧层中留下空位(空穴)。这些位点必须迅速被其他氧原子填充以维持催化作用。然而,当CO分子填充这些孔而不是氧气时,情况不再是这种情况。如果这大规模发生,则催化剂表面不再被氧层覆盖,而是被CO层覆盖,因此不再形成CO 2。这种现象称为“一氧化碳中毒”,它使催化剂失活。

  这是否发生取决于供应给催化剂的废气中的CO浓度。然而,正如目前的实验所示,放置钯颗粒的载体材料也是至关重要的。“如果钯颗粒被放置在氧化锆或氧化镁的表面上,那么催化剂中毒会在更高的一氧化碳浓度下发生,”该研究的第一作者Yuri Suchorski教授说。乍一看,对于如此大的钯颗粒来说,这是非常令人惊讶的。为什么载体的性质会对整个金属颗粒表面发生的化学反应产生影响?为什么钯颗粒和基底之间的接触线只有十分之几纳米宽,

  这个难题终于可以在TU Wien的材料化学研究所的特殊光电子显微镜的帮助下解决。利用该装置,可以实时监测催化反应的空间传播。“我们可以清楚地看到,一氧化碳中毒始终始于谷物的边缘 - 确切地说它与支持物接触的位置,”Yuri Suchorski教授解释说。“从那里开始,”一氧化碳中毒“就像海啸一样蔓延到整个谷物上。”

  主要是出于几何原因,中毒波恰好在那里开始:晶粒边界处的氧原子与内表面上的氧原子相比具有较少的相邻氧原子。当自由站点在那里开放时,CO分子比这些站点更容易填充这些站点,而不是那些位于自由表面中间的站点,其中CO很容易与周围的其他O原子反应。此外,其他氧原子不容易填充边界处的空白区域,因为氧原子总是成对出现,如O 2分子。因此,为了填补空站点,O 2需要彼此相邻的两个免费站点,并且在边界处没有太多空间。

  因此,钯颗粒与支撑物直接接触的边界具有重要的战略意义 - 正是在这个界面上,支撑物能够影响金属颗粒的性质:“我们的合作伙伴来自巴塞罗那大学的计算GntherRupprechter教授表示,谷物的金属原子与保护性氧层之间的键合在支撑物的边界处得到了精确的加强。因此,与氧化物载体紧密接触的钯原子可以更强地结合氧。

  人们可能会认为这对于远离谷物边界的金属场所无关紧要,因为支撑物只能在能量上对边界处的原子产生影响 - 与原子的总数相比,这些只是非常少的。钯粒。但是,由于一氧化碳中毒始于边境,这种影响具有重要的战略意义。金属氧化物边界实际上是晶粒的“弱点” - 如果这个弱点得到加强(边界处金属原子的催化性能受到载体的正面影响),则整个微米尺寸的催化剂颗粒保护免受一氧化碳中毒。

  “各种氧化物载体已经在催化剂中使用,但它们在催化中在CO中毒方面的确切作用还没有被直接观察到”,GntherRupprechter教授说。“通过我们的方法,正在进行的过程及其波浪般的远程效应首次直接可视化,这开辟了有希望改进未来催化剂的新途径。”


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