Forskare från National University of Singapore (NUS) avbildade de strukturella förändringarna i ädelmetallkatalysatorer under kolmonoxid (CO)-oxidation, visar att katalysatorerna växlar mellan inaktivt och aktivt tillstånd beroende på temperatur.

Betydande forskningsinsatser har ägnats åt utvecklingen av katalysatorer med högre prestanda, eftersom de kan minska den energiska kostnaden för att upprätthålla en kemisk reaktion. Dock, sådana ansträngningar begränsas ofta av bristen på detaljerade insikter om katalysatorernas strukturella förändringar under dessa kemiska reaktioner. Katalysatorer kan ändra sin struktur beroende på reaktionsförhållandena, men de flesta tillgängliga analysverktyg kan inte fånga dessa förändringar under realistiska driftsmiljöer.

En forskargrupp ledd av Prof Utkur MIRSAIDOV från Fysiska institutionen och Institutionen för biologiska vetenskaper, NUS har visat direkt avbildning av strukturella förändringar i Palladium (Pd) nanopartiklar som fungerar som katalysatorer under CO-oxidationsreaktionen vid atmosfärstryck med hjälp av toppmodern operando-transmissionselektronmikroskopi (TEM). Observationerna visade att beroende på temperaturen, Katalysatorerna har två distinkta strukturer. Omvandlingen från en struktur dominerad av lågindexfacetter till en rundad struktur på grund av ökande temperatur är associerad med en inaktiv till aktiv katalysatorövergång. Att sänka temperaturen vänder den strukturella förändringen och nanopartiklarna återgår till sin inaktiva struktur. Termodynamiska modelleringsresultat från Dr Alexander GENEST och hans team vid Institute of High Performance Computing, Agency for Science, Teknik och forskning bekräftade sina experimentella fynd att lågtemperaturstrukturen innehåller mindre aktiva platser på sin yta och därför är mindre aktiva jämfört med högtemperaturstrukturen.

Dr Se Wee CHEE, tidskriftens första författare, sa, "Dessa observationer av reversibla transformationer i katalysatorer har viktiga implikationer för katalysgemenskapen. Den konventionella metoden för katalysatorkarakterisering innebär att man tar bort katalysatorer från deras arbetsförhållanden för efterföljande undersökningar. Våra resultat visar att katalysatorns aktiva struktur kanske inte bibehålls under en sådan process och betonar den viktiga rollen operando studier spelar i design och utveckling av nya katalysatorer."

Gruppen planerar att utöka dessa studier mot mer komplexa nanostrukturer och reaktioner som är relevanta för den kemiska industrin.