Katalysatorer är resultatet av kemister som försöker reda ut molekylernas skönhet och de mystiska kemiska reaktionerna. Professor Jeong Young Park, vars forskning fokuserar på katalytiska kemiska reaktioner, är inget undantag. Hans forskargrupp gjorde nyligen genombrott när det gäller att hantera långvariga frågor för att förstå reaktionsmekanismer på bimetalkatalysatorer.

Under de studier som rapporterades i Vetenskapliga framsteg , efter publicering i Naturkommunikation den här månaden, Professor Parks forskargrupp identifierade att bildandet av metalloxidgränssnitt är nyckelfaktorn som ansvarar för den synergistiska katalytiska effekten i bimetalkatalysatorer. Teamet bekräftade denna grundläggande reaktionsmekanism genom in situ -avbildning av reaktionsförhållanden. Detta är den första visualiseringen av bimetallytor under reaktionsförhållanden, betecknar metalloxidgränssnittens roll i heterogen katalys.

Bimetalliska material har enastående katalytisk prestanda, som öppnar en ny väg för styrning av elektroniska strukturer och bindningsenergi i katalysatorer. Trots omfattande forskning om olika katalytiska reaktionseffektiviteter, det finns ännu obesvarade frågor om de underliggande principerna bakom den förbättrade prestandan. Ännu mer, det var mycket svårt att räkna ut vad som ledde till effektiviteten eftersom strukturen, kemisk sammansättning, och oxidationstillståndet för bimetalliska material ändras beroende på reaktionsbetingelser.

Nyligen, forskargrupper har föreslagit att oxid-metall-gränsytor som bildas av ytsegregeringen av bimetalliska nanopartiklar kan vara ansvariga för den ökade katalytiska prestandan. Dock, de misslyckades med att presentera några definitiva bevis som illustrerar den fysiska karaktären eller den grundläggande rollen av oxid-metall-gränssnitten som leder till förbättrad prestanda.

För att specifikt hantera denna utmaning, forskargruppen genomförde in situ-observationer av strukturell modulering på platina-nickelbimetalkatalysatorer under oxidationsförhållanden för kolmonoxid med omgivande tryckscanningstunnelmikroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi för omgivande tryck.

Teamet observerade att bimetalkatalysatorer av platina-nickel uppvisade en mängd olika strukturer beroende på gasförhållandena. Under ultrahöga vakuumförhållanden, ytan uppvisade ett platinahudskikt på den platina-nickellegerade ytan, selektiv nickelsegregation följt av bildning av nickeloxidkluster med syrgas, och slutligen coexistens av nickeloxidkluster på platinahuden under oxidationen av kolmonoxid. Forskargruppen fann att bildandet av gränsytliga nanostrukturer av platina-nickeloxid är ansvarig för ett mycket effektivt steg i kolmonoxidoxideringsreaktionen.

Dessa fynd illustrerar att förstärkningen av den katalytiska aktiviteten på den bimetalliska katalysatorytan härrör från de termodynamiskt effektiva reaktionsvägarna vid metall-metalloxidgränssnittet, som visar en enkel process för den starka metall-stöd-interaktionseffekten. Bildandet av dessa gränssnittsmetall-metalloxid-nanostrukturer ökar katalytisk aktivitet samtidigt som det ger en termodynamiskt effektiv reaktionsväg genom att sänka värmen i reaktionerna på ytan.

Professor Park sa att ett sätt att övervaka katalysatorer är att upptäcka heta elektroner associerade med energispridning och omvandlingsprocesser under ytreaktioner. Hans team ledde realtidsdetektering av heta elektroner genererade på bimetalliska PtCo-nanopartiklar under exoterm väteoxidation. Teamet klargjorde framgångsrikt ursprunget till den synergistiska katalytiska aktiviteten hos PtCo -nanopartiklar med motsvarande kemiska strömvärden.

Genom att uppskatta det kemiska strömavkastningen, forskargruppen drar slutsatsen att de katalytiska egenskaperna hos de bimetalliska nanopartiklarna styrs starkt av gränssnittet mellan oxid och metall, vilket underlättar varm elektronöverföring.

Professor Park förklarade, "Vi känner att den exakta mätningen av heta elektroner på katalysatorer ger insikt i mekanismen för heterogen katalys, som kan hjälpa till med smart design av mycket reaktiva material. Kontrollen av katalytisk aktivitet via elektronisk konstruktion av katalysatorer är ett lovande perspektiv som kan öppna dörren till det nya fältet att kombinera katalys med elektronik, kallad 'katalytronik.' "Han tillade att studien också fastställer en strategi för att förbättra katalytisk aktivitet för katalytiska reaktioner i industriella kemiska reaktorer.