Dlaczego rozmiar ma znaczenie dla złota jako katalizatora

Anonim

Złoto jest najszlachetniejszym metalem - najbardziej odpornym na utlenianie. Jednakże złoto w rozmiarze nano ma wyjątkową zdolność do działania jako katalizator, nawet w niskich temperaturach. Mechanizm leżący u podstaw tej zależnej od wielkości zmiany właściwości zaskoczył naukowców, odkąd zjawisko to odkryto pod koniec lat 80. XX wieku.

Zespół naukowców, w tym Yingge Du, Chongmin Wang i Jun Li z Pacific Northwest National Laboratory, postanowił odpowiedzieć na to pytanie, stosując najnowocześniejszą, elektronową mikroskopię elektronową z korekcją aberracji. Ich praca ujawniła nowe spostrzeżenia na temat wyjątkowych właściwości katalitycznych ultradźwiękowych cząstek złota, gdy są one wystawione na działanie gazu reagującego. Szczegóły ich wyników zostały opublikowane w artykule Proceedings of the National Academy of Sciences, zatytułowanym "Zależne od wielkości struktury dynamiczne wspieranych nanocząstek złota w warunkach reakcji utleniania CO."

Badania in situ ultrasmałowych złocistych klastrów w środowisku reaktywnym były niewystarczające, co utrudnia weryfikację pochodzenia efektu wielkości w katalizie. W badaniu tym wykorzystano transmisyjną mikroskopię elektronową in situ, aby wykazać, że nanocząstki złota, gdy są izolowane do krytycznych rozmiarów, ulegają dynamicznym zmianom strukturalnym w katalitycznych warunkach roboczych, a wszystkie atomy złota w klasterze mogą być aktywowane w celu promowania reakcji katalitycznych. Dowody na transformację w tej skali ultrasmall można uzyskać jedynie poprzez charakterystykę in situ i operand.

To odkrycie kwestionuje klasyczne myślenie, że złoto jako katalizator zachowuje taką samą strukturę między warunkami statycznymi i katalitycznymi. W rzeczywistości, te stabilne ultrasmałe złociste klastry mogą przekształcić się w metastabilną fazę. Wyniki sugerują również, że nanokatalizatory mogą działać jako dynamicznie generowane katalizatory jednoskładnikowe, co wzbudziło niezwykłe zainteresowanie wspólnotą katalizy.

"Ustanowione tutaj szczegółowe relacje struktura-stabilność-własność mogą doprowadzić do zmiany paradygmatu w projektowaniu wydajnych atomowo katalizatorów", mówi Wang.

Ultrasmowe złociste klastry osadzone na cienkich błonach z pojedynczej krystalicznej cerii (CeO2 (111)) eksponowano na reagujący tlenek węgla i tlen (CO + O2) z gazem z zastosowaniem środowiskowego mikroskopu elektronowego w połączeniu z modelowaniem obliczeniowym i symulacjami molekularnymi ab initio. Naukowcy zaobserwowali różne reakcje strukturalne na gaz reagujący w zależności od wielkości nanocząstki. W formie ultradźwiękowej (dziesiątki atomów) złota nanocząstka wykazywała dynamiczne zmiany strukturalne w katalitycznych warunkach pracy; wewnętrzna struktura została utracona, a skupiska stały się nieuporządkowane, podczas gdy dynamiczne, niskokoordynowane atomy formowały się na powierzchni. Symulacje dynamiki molekularnej ab initio potwierdziły te obserwacje i dalej ujawniły, że generowanie dynamicznych, niskokoordynowanych atomów za pośrednictwem form karbonylku złota może działać jako dynamiczne aktywne centra utleniania CO.

W przypadku nieco większych nanocząstek (do kilkuset atomów), stabilna struktura sześcienna, która w przeciwnym razie jest skupiona na twarzy, przekształca się w nieuporządkowaną strukturę pod wpływem ekspozycji CO i O2, która stała się podobna do cieczy i jednocześnie tworzyła niskorozdzielcze atomy złota.

Natomiast większe nanocząstki zachowały swoją strukturę podczas rekonstrukcji miejscowej powierzchni.

Zależna od wielkości reakcja strukturalna na gaz reagujący, w szczególności generowanie dynamicznych, niskokoordynujących atomów Au w cząstkach ultradźwięków złota, może skutecznie pobudzić reakcję poprzez łatwy transport CO do miejsc reakcji, a tym samym wytyczenie pierwotnej przyczyny, dla której małe wymiary mają znaczenie dla katalizę złota i dlaczego większe nanocząsteczki złota stają się obojętne.

Zespół jest przekonany, że należy dołożyć dalszych starań, aby zbadać, w jaki sposób nanocząsteczki złota przekształcają się z uporządkowanej struktury w nieuporządkowaną strukturę, i zrozumieć, czy ten efekt wielkości występuje również w innych systemach katalitycznych. Szukają dodatkowych funduszy i zasobów, aby wesprzeć rozszerzone badania w tej dziedzinie.

menu
menu