Enstaka atomer fungerar utmärkt som katalysatorer, men de brukar inte vara singlar länge. Argonne-forskare är en del av ett team som använder högtemperaturchockvågor för att hålla dem på sin plats.

Ett aktuellt hett ämne inom katalysforskning är utvecklingen av enatomskatalysatorer - de vars atomer inte är bundna till varandra. Ökningen av exponeringen av enatomskatalysatorer maximerar atomanvändningseffektiviteten för katalytisk prestanda, stöd till avgörande processer såsom tillverkning av bränsle och läkemedel.

Att syntetisera stabila enatomskatalysatorer visar sig vara utmanande eftersom många av de mest användbara katalytiska reaktionerna, såsom omvandling av metan, kan endast ske vid höga temperaturer. Att förbli i ett stabilt tillstånd, enstaka atomer samlas ofta när höga temperaturer introducerar en ökad instabilitet i systemet, orsakar en nedgång i deras katalytiska prestanda.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, tillsammans med partners från flera universitet, har visat att utsättande av en katalysator och ett substrat för upprepade högtemperaturchockvågor bryter katalysatorn i enstaka atomer och gör att systemet kan förbli stabilt under aldrig tidigare skådade tidsperioder.

I denna avgörande upptäckt, forskarna använde platina för katalysatorn och kol för substratet. Platina fungerar som en katalysator för många viktiga reaktioner, som att driva bränsleceller och omvandla naturgas till mer användbara former.

Studien, som nyligen dök upp i Naturens nanoteknik , drog fördel av tvärvetenskapligt samarbete mellan flera nationella labb och universitet. Datormodeller av systemet under värmepulsering kom från University of Maryland. Förutsägelserna för hur systemet skulle bete sig överensstämde nära de faktiska resultaten som erhölls under reaktionstester vid Johns Hopkins University och röntgenabsorptionsspektroskopi vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility. In situ stabilitetstestning med atomupplösningsmikroskopi utfördes vid University of Illinois i Chicago och vid Environmental Molecular Sciences Laboratory, en annan DOE Office of Science User Facility vid Pacific Northwest National Laboratory.

APS-strållinjen som drivs av X-ray Science division Spectroscopy group är specialiserad på röntgenabsorptionsspektroskopi, och den är värd för en mängd olika användare från områden som energilagring, katalys och miljövetenskap. Tekniken de använde för systemet i denna studie kan unikt karakterisera enatomskatalys. Forskarna kunde visa att efter 10 stötvågor, det fanns praktiskt taget inga platina-platina-obligationer, och att platinan var bindande med kolsubstratet, vilket är viktigt för att förklara systemets förbättrade prestanda.

Forskarna spred platinaatomer över en kolyta, och vid låga temperaturer, platina klungade ihop sig istället för att binda som individuella atomer med kolet. Efter en högtemperaturchockvåg – eller värmepuls – började platinaöarna att brytas isär och, efter 10 pulser, platina dispergerades enhetligt och planterades i kolet.

Dessa experiment utfördes med stötvågor vid rekordhöga temperaturer på upp till 2000 K, en temperatur högre än till och med den hetaste magma under jordens yta, etablera en stabil katalytisk miljö mogen med potential för reaktion. Systemet förblev stabilt i mer än 50 timmar efter syntes.

Stötvågsmetoden förbigår det vanliga problemet med att enstaka atomer binder till sig själva eftersom när du värmer atomer till höga temperaturer, stänket av energi får dem att flytta runt och bryta sina redan existerande band. Denna instabilitet stör platina-platinabindningar och gör att platina sprids ut över kolet, ger energistabila möjligheter för den att binda till kolmolekylerna. Med varje ytterligare stötvåg, platinaatomerna sprider sig mer och mer.

"Bindningarna mellan platina och kol är starka, så om du separerar platina från sig själv och det binder med kol, den kommer att stanna där, " sa Tianpin Wu från Spectroscopy Group, en Argonne-forskare på studien. "Kolet är som jord och platina är som en blomma med starka rötter - systemet är mycket stabilt."

Att använda termiska chockvågor som en metod för att syntetisera enatomskatalysatorer är ett tidseffektivt och allmänt tillämpbart sätt att uppnå katalytiska miljöer som är konventionellt utmanande. Teamet planerar att använda denna metod för att syntetisera andra viktiga katalysatorer som rutenium och kobolt med substrat av kolnitrid och titandioxid för att få en mer allmän teori om hur metoden fungerar.

"Vi vill inte stanna här, ", sa Wu. "Vi vill studera denna nya metod i vanliga reaktioner och sedan generalisera den till andra material."

"Vi jämförde prestandan hos vår högtemperaturs enatoms platinakatalysator med konventionella platinananopartiklar vid metanomvandling, och vi såg en betydande förbättring av selektivitet och termisk stabilitet under långa tidsperioder, sa Wu.

Teamet gick vidare för att testa systemets termiska stabilitet genom att behandla de enskilda atomerna med stötvågor upp till 3000 K. Resultatet blev fortfarande ett hav av enstaka atomer, möjliggör maximerad atomanvändningseffektivitet.

"Det här arbetet var som ett pussel, och alla samarbetspartners bidrag var nödvändiga för att få en detaljerad bild av systemet, " sa Wu. "Inte någon av teknikerna kunde ha berättat historien ensam, men tillsammans visade vi att den här metoden är lika framgångsrik som den är."