Forscher arbeiten daran, die Menge an Edelmetallen in Katalysatoren zu reduzieren

Katalysatoren, die in den 1970er Jahren in großem Umfang in amerikanischen Fahrzeugen eingeführt wurden, nutzen Edelmetalle als Katalysatoren, um tödliche und schädliche Chemikalien aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren zu entfernen. Da der Preis für Edelmetalle immer weiter steigt, steigt auch die Zahl der Katalysatordiebstähle.

In neueren Studien erscheinen in Naturkommunikation und die Zeitschrift der American Chemical Society, zeigten UCF-Forscher, dass sie atomares Platin zur Schadstoffkontrolle verwenden und das System bei niedrigeren Temperaturen betreiben könnten, was für die Entfernung schädlicher Chemikalien beim ersten Start eines Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist.

Feinabstimmung der Platin-Atom-Position

Im Naturkommunikation Studie haben UCF-Forschungsteams unter der Leitung von Fudong Liu, Assistenzprofessor in der Abteilung für Bau-, Umwelt- und Bauingenieurwesen, und Talat Rahman, angesehener Pegasus-Professor in der Abteilung für Physik, erfolgreich einzelne Platinatome mit unterschiedlichen atomaren Koordinationsumgebungen an bestimmten Orten konstruiert Ceroxid. Ceroxid ist ein Metalloxid, das zur Verbesserung der katalytischen Reaktionsleistung beiträgt.

Liu und Rahman sind außerdem dem Catalysis Cluster for Renewable Energy and Chemical Transformations (REACT) angeschlossen.

Die Platinatome zeigten bei katalytischen Reaktionen, wie der Kohlenmonoxidoxidation und der Ammoniakoxidation in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Dieselmotors, auffallend unterschiedliche Verhaltensweisen, sagen die Forscher.

Durch die Oxidation wird tödliches Kohlenmonoxid in Kohlendioxid und schädliches Ammoniak in Stickstoff- und Wassermoleküle umgewandelt.

Ihre Ergebnisse legen nahe, dass die katalytische Leistung von Einzelatomkatalysatoren in gezielten Reaktionen maximiert werden kann, indem ihre lokalen Koordinationsstrukturen durch einfache und industriell skalierbare Strategien optimiert werden, sagt Liu.

„Durch die Kombination elektronischer Strukturberechnungen mit hochmodernen Experimenten ist den Teams von Liu und Rahman ein Durchbruch gelungen, der der heterogenen Katalysegemeinschaft bei der Entwicklung hocheffizienter Einzelatomkatalysatoren für sowohl umwelt- als auch energiebezogene Anforderungen erheblich zugute kommen kann“, ' sagt Liu.

„Wir haben erfolgreich eine einfache Strategie zur selektiven Feinabstimmung der lokalen Koordinationsumgebung einzelner Platinatome entwickelt, um eine zufriedenstellende katalytische Leistung in verschiedenen Zielreaktionen zu erreichen, was das Verständnis der Einzelatomkatalyse einen bedeutenden Schritt voranbringen wird“, sagte er sagt.

Laut Rahman zeigt ihre gemeinsame Arbeit, wie Theorie und Experimente im Zusammenspiel mikroskopische Mechanismen aufdecken können, die für die Verbesserung der katalytischen Aktivität und Selektivität verantwortlich sind.

Effizienter Kohlenmonoxid-Oxidationskatalysator

Im Zeitschrift der American Chemical Society In einer Studie verbesserten Liu und Mitarbeiter von Virginia Tech und der Beijing University of Technology die Kohlenmonoxid-Reinigungseffizienz eines Platin-Ceroxid-Aluminiumoxid-Katalysators im Vergleich zu den regelmäßig verwendeten Platinkatalysatoren deutlich um das 3,5- bis 70-fache.

Dies gelang ihnen durch die präzise Kontrolle der Koordinationsstrukturen von Platin auf atomarer Ebene auf einem industriell verfügbaren Ceroxid-Aluminiumoxid-Träger.

„Die lokale Struktur des aktiven Zentrums innerhalb eines Katalysators bestimmt seine katalytische Leistung“, sagt Liu. „Die präzise Kontrolle der lokalen Koordinationsstruktur aktiver Zentren und die Aufklärung intrinsischer Struktur-Leistungs-Beziehungen stellen jedoch große Herausforderungen im Bereich der heterogenen Katalyse dar.“

„Wir haben daran gearbeitet, die lokale Koordinationsstruktur von Metallzentren auf atomarer Ebene zu kontrollieren, einen hocheffizienten Katalysator für Reaktionen im Zusammenhang mit der Umweltreinigung zu entwickeln und die Struktur-Leistungs-Beziehung der neu hergestellten Katalysatoren aufzudecken, um das zukünftige Katalysatordesign zu steuern“, ', sagt er.

Mithilfe einer Strategie zur Anreicherung von Oberflächendefekten berichteten Liu und sein Team über die erfolgreiche Herstellung von Platin-Atom-Einzelschicht- und Platin-Einzelatom-Strukturen mit präzise kontrollierter lokaler Koordinationsumgebung auf Ceroxid-Aluminiumoxid-Trägern.

Mithilfe der ringförmigen Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie mit großem Winkel beobachtete einer der wichtigsten Mitautoren, Yue Lu von der Technischen Universität Peking, direkt, dass die Platin-Atom-Einzelschicht- und Platin-Einzelatom-Strukturen, die eine 100-prozentige Metallfreilegung zeigten, darin eingebettet waren Ceroxidgitter oder auf der Ceroxidoberfläche adsorbiert.

Die eingebettete atomare Einzelschichtstelle aus Platin zeigte die höchste Effizienz bei der Kohlenmonoxidreinigung, die 3,5-mal so hoch war wie die auf der adsorbierten atomaren Platin-Einzelschicht und 10 bis 70-mal so hoch wie die auf Platin-Einzelatomstellen.

In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Hongliang

Die Arbeit ist äußerst wichtig, da sie der Umweltkatalyse-Gemeinschaft dabei helfen wird, aktivere Metallkatalysatoren mit 100-prozentiger Metallnutzungseffizienz für gezielte Umweltanwendungen zu entwickeln, sagt Liu.

„Wir haben gezeigt, wie man die Strukturen von Metall-Einzelatomen, atomaren Einzelschichten und Clusterstandorten in Reaktionen im Zusammenhang mit der Emissionskontrolle kontrolliert und nutzt und wie man ihre Struktur-Leistungs-Beziehung mithilfe experimenteller und theoretischer Simulationsansätze versteht“, sagt Liu sagt. „Dies wird den Weg für zukünftiges Umweltkatalysatordesign auf atomarer Ebene ebnen und eine hohe Effizienz in praktischen Anwendungen erreichen.“