Heterogena katalysatorer är material som underlättar kemiska reaktioner genom att tillhandahålla en yta för reaktanter att adsorbera och reagera. Katalysatorpartiklarnas storlek och form spelar en avgörande roll för deras aktivitet och selektivitet, men de bakomliggande mekanismerna bakom dessa effekter har inte förståtts fullt ut.
I den här studien använde forskarna en kombination av experimentella och teoretiska tekniker för att undersöka relationerna struktur-egenskap-prestanda för heterogena katalysatorer. De syntetiserade en serie palladiumnanopartiklar med olika storlekar och studerade deras katalytiska aktivitet för hydrogenering av eten, en reaktion som är viktig vid produktion av bränslen och kemikalier.
Resultaten visade att aktiviteten hos palladiumnanopartiklarna ökade med minskande partikelstorlek. Denna trend tillskrevs den högre ytan av mindre partiklar, vilket gav mer aktiva platser för reaktionen. Men forskarna fann också att de elektroniska egenskaperna hos nanopartiklarna förändrades med minskande partikelstorlek, vilket påverkade reaktionens selektivitet.
Specifikt observerade forskarna en minskning i d-bandscentrumet för palladiumnanopartiklarna med minskande partikelstorlek. Denna förändring i den elektroniska strukturen resulterade i en förskjutning i reaktionsselektiviteten från den önskade produkten, etan, till den oönskade produkten, metan.
Resultaten av denna studie ger en djupare förståelse av sambandet mellan storlek, aktivitet och elektroniska egenskaper hos heterogena katalysatorer. Denna kunskap kan användas för att vägleda den rationella designen av mer effektiva och selektiva katalysatorer för ett brett spektrum av industriella processer.
Utöver de grundläggande insikterna från denna studie visade forskarna också de praktiska konsekvenserna av deras resultat genom att designa en ny palladiumkatalysator med förbättrad aktivitet och selektivitet för hydrogenering av eten. Denna katalysator skulle potentiellt kunna användas för att förbättra effektiviteten och minska kostnaderna för att producera bränslen och kemikalier.
Sammantaget representerar denna studie ett betydande framsteg inom katalysområdet och öppnar nya vägar för utveckling av mer hållbara och effektiva katalytiska processer.
