Платина используется в качестве катализатора в топливных элементах в автомобильных конвертерах и в химической промышленности из-за ее замечательной способности облегчить широкий спектр химических реакций. Однако его будущее потенциальное использование значительно ограничивается дефицитом и стоится, а также то, что платина с готовностью связывает с угарным газом, который «отравляет» желаемые реакции, например в топливных элементах мембраны электролита полимера (PEM), которые являются ведущими претендентами на небольшое и мобильное производство электроэнергии не на основе батарей или двигателей внутреннего сгорания.Исследователи Пучков обнаружили, что рассеивание отдельных, изолированных атомов платины в намного менее дорогостоящих медных поверхностях может создать очень эффективный и прибыльный катализатор для отборного гидрирования 1,3 бутадиенов, химиката, произведенного паровым взламыванием керосина или каталитическим взламыванием газовой нефти. Бутадиен – примесь в потоках пропилена, которые должны быть удалены от потока до гидрирования, чтобы облегчить последующее производство полимера.
Текущий промышленный катализатор для гидрирования бутадиена использует палладий и серебро.Как сахар в кофе
Медь, в то время как относительно дешевый металл, совсем не так же каталитически сильна как платина, отметил профессора Chemistry Charles Sykes, доктора философии, одного из ведущих авторов на бумаге. «Мы хотели найти способ улучшить его работу».Исследователи сначала провели поверхностные научные эксперименты, чтобы учиться точно, как платина и медные металлы смешиваются. «Мы были счастливы найти, что платиновый металл распался в меди, точно так же, как сахар в горячем кофе, полностью вниз к единственным атомам.
Мы называем такие материалы единственными сплавами атома», сказал Сайкс.Химики Пучков использовали специализированную низкую температуру, просматривая микроскоп туннелирования, чтобы визуализировать единственные атомы платины и их взаимодействие с водородом. «Мы нашли, что даже при температурах настолько же низко как минус 300 градусов по Фаренгейту эти атомы платины были способны к разделению водородных молекул в атомы, указав, что атомы платины будут очень хороши в активации водорода для химической реакции», сказал Сайкс.
С тем знанием Сайкс и его коллеги – химики обратились к давнему сотруднику Пучков Марии Флицэни-Стефанопулос, доктору философии, Роберту и Марси Хабер Обеспеченный профессор в энергетической Устойчивости в Школе Разработки, чтобы определить, какая гидрогенизационная реакция будет самой значительной для промышленного применения. Ответ, она сказала, был бутадиеном.Образцовый катализатор выступил эффективно для той реакции в вакуумных условиях в лаборатории, таким образом, команда Флицэни-Стефанопулоса взяла исследование к следующему уровню. Они синтезировали небольшие количества реалистических катализаторов, такие как медные платиной единственные наночастицы сплава атома, поддержанные на основании глинозема, и затем проверили их под промышленным давлением и температурами.
«К нашему восхищению эти катализаторы работали очень хорошо, и их работа была устойчива в течение многих дней», сказал Флицэни-Стефанопулос. «В то время как мы ранее показали, что палладий сделает связанные реакции в закрытой реакторной системе, эта работа с платиной – наша первая демонстрация операции в реакторе потока при промышленно соответствующих условиях. Мы полагаем, что этот подход также применим к другим драгоценным металлам, если добавлено как компоненты меньшинства в меди».
Далее, исследователи нашли, что реакция на самом деле стала менее эффективной, когда они использовали больше платины, потому что у групп атомов платины есть низшая селективность по сравнению с отдельными атомами. «В этом случае меньше больше», сказал Флицэни-Стефанопулос, «который является очень хорошей вещью».Экологические преимуществаПоскольку платина – в центре многих экологически чистая энергия и зеленые технологии производства химикатов, такие как топливные элементы, каталитические конвертеры и химикаты с добавленной стоимостью от биовозобновляемого сырья для промышленности, новые, менее дорогие медные платиной катализаторы могли облегчить более широкое внедрение таких безвредных для окружающей среды устройств и процессы, добавила она.
Работа – последние фрукты от длинного междисциплинарного сотрудничества между Сайксом и Флицэни-Стефанопулосом.«Мария и я встретились больше чем семь лет назад и регулярно говорили о том, как объединить наши довольно различные области исследования эффективного сотрудничества через школы Искусств и Наук и Разработки», сказал Сайкс. «У меня был современный микроскоп, который видел, и управляйте атомами и молекулами, и я хотел использовать его уникальные возможности получить сведения о промышленно важных химических реакциях. В начале 2000-х, группа Марии вела подход единственного атома для металлов, закрепленных на окисных поддержках как исключительные активные места для водно-газовой реакции изменения модернизировать водородные потоки для использования топливного элемента. Ноу-хау дизайна катализатора уже существовало в ее лаборатории.
Ретроспективно, кажется очевидным, что объединяющиеся силы были бы ‘естественным’ развитием. Вместе мы начали новое направление, включающее единственные сплавы атома как катализаторы для отборных гидрогенизационных реакций.
Наш микроскоп исключительно подошел для характеристики атомного состава поверхностей. Мы получили финансирование из Национального научного фонда, американское Министерство энергетики и Пучки Сотрудничают инициатива преследовать эту новую область исследования."Сайкс и Флицэни-Стефанопулос использовали этот подход, чтобы проектировать множество единственных катализаторов сплава атома, которые, за прошлые два года, вызвали международный интерес.«Традиционно развитие катализатора происходит методом проб и ошибок и показывающий много материалов», сказал Флицэни-Стефанопулос. «В этом исследовании мы проявили фундаментальный подход к пониманию структуры на уровне атомов и свойств единственных поверхностей сплава атома и затем применили это знание, чтобы развивать рабочий катализатор.
Вооруженный этим знанием, мы теперь готовы сравнить стабильность этих единственных катализаторов сплава атома к единственным катализаторам атома, поддержанным на различных поверхностях окиси или углерода. Это может дать нам очень полезные критерии промышленного дизайна катализатора».