Miljarder ädelmetallkatalysatorer används över hela världen för tillverkning av kemikalier, energiproduktion, eller rengöring av luften. Dock, de resurser som krävs för detta ändamål är dyra och deras tillgänglighet är begränsad. För att optimera användningen av resurser, katalysatorer baserade på enstaka metallatomer har utvecklats. En forskargrupp vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) visade att ädelmetallatomer kan samlas för att bilda kluster under vissa förhållanden. Dessa kluster är mer reaktiva än de enskilda atomerna och, därav, avgaser kan avlägsnas mycket bättre. Resultaten redovisas i Naturkatalys .

Ädelmetallkatalysatorer används för ett brett spektrum av reaktioner. Bland andra, de används i nästan alla förbränningsprocesser för att minska utsläppen av föroreningar. Ofta, de består av mycket små partiklar av den aktiva komponenten, som en ädel metall, som appliceras på ett bärarmaterial. Dessa så kallade nanopartiklar består av flera tusen metallatomer. "Men bara atomer på utsidan är aktiva i reaktionen, medan de flesta atomer förblir oanvända, " förklarar professor Jan-Dierk Grunwaldt från KIT:s Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP). Genom att förändra driftsförhållandena, strukturen hos en sådan katalysator och, därav, dess aktivitet kan ändras.

"Vid höga temperaturer i avgassystemet i en bil, som nås under en längre körning på en motorväg, till exempel, interaktion mellan ädelmetallen och bäraren kan leda till bildandet av enstaka atomer, d.v.s. isolerad, separata metallatomer på bäraren, " säger Grunwaldt. "Sådana enatomskatalysatorer kan förväntas nå en mycket hög utnyttjandegrad av ädelmetallkomponenterna, eftersom alla atomer teoretiskt sett kan delta i reaktionen." I motsats till denna förväntning, dock, laget av Grunwaldt, i samarbete med professorerna Christof Wöll från Institute of Functional Interfaces of KIT och Felix Studt från KIT:s Institute of Catalysis Research and Technology, har funnit att dessa atomer först måste bilda ädelmetallkluster under reaktionsbetingelser för att bli aktiva.

Forskarna inducerade specifikt bildandet av enstaka atomer och undersökte deras struktur noggrant under reaktionen. Med hjälp av högspecialiserad spektroskopi och teoretiska beräkningar, som användes för första gången någonsin för denna klass av katalysatorer, teamet lyckades förklara varför platinaatomer ofta har låg aktivitet. "För att omvandla föroreningar, de måste vanligtvis reagera med syre i katalysatorn. För detta, båda komponenterna måste vara tillgängliga på samma tid och plats, som inte kan uppnås för isolerade platinaatomer, eftersom syret för den nödvändiga reaktionen är alldeles för starkt bundet till bärarkomponenten - i vårt fall ceriumoxid, säger Florian Maurer från ITCP, en av huvudförfattarna till studien. "Efter att ha brutit platina-ceriumoxidbindningarna, platinaatomer kan röra sig över bärarytan. I ett nästa steg, dessa platinaatomer bildar små platinakluster, där reaktionen sker mycket snabbare än på enstaka atomer."

Kluster har en optimal struktur för hög aktivitet

Teamets studier visar att varken nanopartiklar eller isolerade atomer når den högsta aktiviteten. "Det optimala ligger däremellan. Det nås av små ädelmetallkluster, "Säger Grunwaldt. "Att stabilisera dessa ädelmetallkluster kan vara nyckeln till att avsevärt minska förbrukningen av ädelmetaller vid tillverkning av katalysatorer. I åratal, allt finare fördelning av ädelmetallkomponenten har varit en av huvudstrategierna vid utformningen av nya katalysatorer. Våra experiment har nu avslöjat gränserna i atomområdet." Resultaten av studien kommer nu att användas för kunskapsbaserad design och utveckling av katalysatorer för ökad stabilitet och långsiktig aktivitet. Detta kommer att vara ett stort fokus i arbetet med Karlsruhe Exhaust Gas Center i KIT, vars vetenskapliga chef, Dr Maria Casapu, är medförfattare till studien.