I samarbete med forskare i USA, Kina och Nederländerna har Davidson School of Chemical Engineerings Dr. Zhenhua Zeng och professor Jeffrey Greeley, avancerad katalysforskning och katalysatordesign genom sin utforskning av aktiva platser.
Deras resultat ger inte bara värdefulla perspektiv på tidigare katalytisk reaktivitet och aktiva platsstudier utan förutspår också utvecklingen av nya katalysatorer med avsevärt förbättrad prestanda.
Användningen av heterogena katalysatorer i kemiska reaktioner är utbredd, med insikten att hög katalytisk aktivitet endast förekommer på specifika ytplatser. "Bestämning av den molekylära strukturen för katalytiska aktiva platser är ett centralt och långvarigt mål för katalysvetenskapen. Aktuell forskning identifierar och klassificerar dessa aktiva platser genom distinkta ytmotiv, såsom steg och terrasser.
"Denna kategorisering förenklar ofta komplexiteten i identifiering av aktiva platser, vilket kan leda till osäker klassificering av aktiva platser och felaktiga förutsägelser om katalytisk aktivitet. Således hindrar denna felaktiga identifiering möjligheter för katalysatordesign", säger professor Greeley.
Publicerad i Nature , avslöjar artikeln "Site-specific reactivity of stepped Pt-ytor driven by stress release" en lösning för den alltför förenklade kategoriseringen:atomär platsspecifik reaktivitet driven av ytspänningsfrisättning, som ofta förbises i den nuvarande klassificeringsprocessen.
"Denna studie visar att det finns en fundamentalt ny klass av aktiva platser, sammansatta av olika ytstrukturer kopplade av utökade spänningar och töjningsfält i katalysatorytan, som kan leda till spännande nya katalysatorer för bränsleceller och relaterade elektrokemiska anordningar", säger Greeley .
Med hjälp av stegade Pt(111)-ytor och syrereduktionsreaktionen (ORR) i bränsleceller som exempel, visar uppsatsen att ytspänningsfrisättning producerar inhomogena spänningsfält, vilket leder till distinkta elektroniska strukturer och reaktivitet för terrassatomer med identisk lokal koordination.
Dessutom kan terrassatomerna som omger trappstegen uppleva upp till 50 gånger högre förbättring än atomerna i mitten av terrassen, vilket gör att vissa områden på terrassen upplever högre eller lägre ORR-aktivitet. Forskare drog slutsatsen att förmågan att kontrollera ORR-reaktivitet genom att ändra terrassens bredd eller reglera yttre spänningar öppnar nya dörrar för katalysatordesign.
"Vårt arbete utmanar det konventionella antagandet om enhetlig reaktivitet bland atomära platser med identiska lokala miljöer, vilket avslöjar distinkt reaktivitet inducerad av även mindre brister," sade Zeng.
"Denna uppsats ger insikter i atomskala om aktiva platser för stegvisa Pt-ytor, särskilt med fokus på deras roll i vätebränsleceller. Denna grundläggande förståelse ger inte bara övertygande insikter i tidigare experiment utan förutsäger också nya katalysatorer med avsevärt förbättrad prestanda."
Resultaten som genereras av denna forskning möjliggör en ny lins genom vilken forskare ser på katalytiskt aktiva atomära platser och principerna som styr utformningen av heterogena katalysatorer.
Samarbetspartner, professor Marc Koper vid Leiden University sa:"Detta arbete är ett vackert exempel på hur ett dedikerat samarbete mellan högkvalitativa beräkningar och experiment kan ge unik insikt i en långvarig fråga inom ytelektrokatalys, nämligen hur och om lokal ytspänning kan påverka kemisk reaktivitet. Jag är glad över att ha varit en del av detta samarbete."
Mer information: Guangdong Liu et al, Platsspecifik reaktivitet hos stegade Pt-ytor driven av stressfrigöring, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07090-z
Tillhandahålls av Purdue University
