(PhysOrg.com) - University of Utah kemister visade den första avgörande kopplingen mellan storleken på katalysatorpartiklar på en fast yta, deras elektroniska egenskaper och deras förmåga att påskynda kemiska reaktioner. Studien är ett steg mot målet att designa billigare, effektivare katalysatorer för att öka energiproduktionen, minska jordvärmande gaser och tillverka en mängd olika varor från mediciner till bensin.

Katalysatorer är ämnen som påskyndar kemiska reaktioner utan att förbrukas av reaktionen. De används för att tillverka de flesta kemikalier och många industriprodukter. Världens ekonomi beror på dem.

"En av de stora osäkerheterna i katalys är att ingen riktigt förstår vilken storlek partiklarna i katalysatorn faktiskt får en kemisk reaktion att hända, säger Scott Anderson, en kemiprofessor vid University of Utah och senior författare till studien på fredagen, 6 november nummer av tidskriften Vetenskap . "Om vi ​​kunde förstå vilka faktorer som styr aktiviteten i katalysatorer, då kan vi göra bättre och billigare katalysatorer.”

"De flesta katalysatorer är dyra ädelmetaller som guld eller palladium eller platina, " han lägger till. "Säg i en guldkatalysator, det mesta av metallen är i form av stora partiklar, men de stora partiklarna är inaktiva och endast nanopartiklar med cirka 10 atomer är aktiva. Det betyder att mer än 90 procent av guldet i katalysatorn inte gör någonting. Om du kunde göra en katalysator med bara rätt storlek partiklar, du kan spara 90 procent av kostnaden eller mer.”

Dessutom, "Det finns ett stort intresse för att lära sig att göra katalysatorer av mycket billigare basmetaller som koppar, nickel och zink, säger Anderson. "Och sättet du ska göra det är genom att "justera" deras kemiska egenskaper, vilket innebär att justera de elektroniska egenskaperna eftersom elektronerna styr kemin.”

Tanken är att "ta en metall som inte är katalytiskt aktiv och, när du minskar den till lämplig storlek [partiklar], det kan bli katalytiskt, säger Anderson. "Det är fokus för vårt arbete - att försöka identifiera och förstå vilka storlekar av metallpartiklar som är aktiva som katalysatorer och varför de är aktiva som katalysatorer."

I den nya studien, Anderson och hans elever tog ett steg mot att "justera" katalysatorer för att ha önskade egenskaper genom att demonstrera, för första gången, att storleken på metallkatalysatorns "nanopartiklar" som deponeras på en yta inte bara påverkar katalysatorns aktivitetsnivå, men partiklarnas elektroniska egenskaper.

Anderson genomförde studien med kemidoktoranderna Bill Kaden och William Kunkel, och med tidigare doktoranden Tianpin Wu. Kaden var första författare.

"Katalysatorer är en stor del av ekonomin, säger Anderson. "Katalysatorer används för praktiskt taget alla industriella processer, från att tillverka bensin och polymerer till föroreningssanering och raketpropeller.”

Katalysatorer används i 90 procent av amerikanska kemiska tillverkningsprocesser och för att göra mer än 20 procent av alla industriprodukter, och dessa processer förbrukar stora mängder energi, enligt US Department of Energy (DOE).

Dessutom, industrin producerar 21 procent av USA:s jordvärmande koldioxidutsläpp - inklusive 3 procent från den kemiska industrin, säger DOE.

Således, Att förbättra effektiviteten hos katalysatorer är "nyckeln till både energibesparingar och minskningar av koldioxidutsläpp, säger byrån.

Katalysatorer används också vid läkemedelstillverkning; Livsmedelsbearbetning; bränsleceller; produktion av gödningsmedel; omvandling av naturgas, kol eller biomassa till flytande bränslen; och system för att minska föroreningar och förbättra förbränningens effektivitet vid energiproduktion.

North American Catalysis Society säger att katalysatorer bidrar med 35 procent eller mer av den globala bruttonationalprodukten. "Den största delen av detta bidrag kommer från produktion av högenergibränslen (bensin, diesel, väte), som är kritiskt beroende av användningen av små mängder katalysatorer i … petroleumraffinaderier, säger gruppen.

"Utvecklingen av billiga katalysatorer ... är avgörande för energifångst, konvertering och lagring, säger Henry White, professor och ordförande i kemi vid University of Utah. "Denna forskning är avgörande för nationens energisäkerhet."

Katalysatorforskning:Vad tidigare studier och den nya studien visade

Många viktiga katalysatorer - som de i katalysatorer som minskar utsläppen från motorfordon - är gjorda av metallpartiklar som varierar i storlek från mikron ner till nanometer.

När storleken på en katalysatormetallpartikel reduceras till nanoskalan, dess egenskaper förblir initialt desamma som en större partikel, säger Andersson. Men när storleken är mindre än cirka 10 nanometer - innehåller cirka 10, 000 atomer av katalysator - elektronernas rörelser i metallen är begränsade, så deras inneboende energier ökar.

När det finns färre än cirka 100 atomer i katalysatorpartiklar, storleksvariationerna resulterar också i fluktuationer i den elektroniska strukturen hos katalysatoratomerna. Dessa fluktuationer påverkar starkt partiklarnas förmåga att fungera som en katalysator, säger Andersson.

Tidigare experiment har dokumenterat att elektroniska och kemiska egenskaper hos en katalysator påverkas av storleken på katalysatorpartiklar som flyter i en gas. Men de isolerade katalysatorpartiklarna är helt annorlunda än katalysatorer som är monterade på en metalloxidyta - hur katalysatormetallen stöds i riktiga industriella katalysatorer.

Tidigare experiment med katalysatorer monterade på en yta innefattade ofta en mängd olika partikelstorlekar. Så dessa experiment misslyckades med att upptäcka hur katalysatorns kemiska aktivitet och elektroniska egenskaper varierar beroende på storleken på enskilda partiklar.

Anderson var den första amerikanska kemisten som sorterade metallkatalysatorpartiklar efter storlek och visade hur deras reaktivitet förändras med storleken. I tidigare arbeten, han studerade guldkatalysatorpartiklar avsatta på titandioxid.

Den nya studien använde palladiumpartiklar av specifika storlekar som avsattes på titandioxid och användes för att omvandla kolmonoxid till koldioxid.

Studien visade inte bara hur katalytisk aktivitet varierar med katalysatorns partikelstorlek, "men vi har kunnat korrelera det storleksberoendet med observerade elektroniska skillnader i katalysatorpartiklarna, säger Kaden. "Folk hade spekulerat i att detta borde hända, men ingen har någonsin sett det."

Anderson säger att det är den första demonstrationen av en stark korrelation mellan storleken och aktiviteten hos en katalysator på en metallyta och elektroniska egenskaper hos katalysatorn.

Hur studien genomfördes

Med hjälp av en komplicerad apparat i Andersons laboratorium, kemisterna riktade en laserstråle för att förånga palladium, skapar elektriskt laddade, palladiumnanopartiklar i en ånga som bärs av en ström av heliumgas.

Elektromagnetiska fält används för att fånga partiklarna och skicka dem genom en masspektrometer, som endast väljer storleken på palladiumpartiklar som Anderson och kollegor vill studera. De önskade partiklarna avsätts sedan på en enda kristall av titanoxid som mäter mindre än en halv tum på en sida.

Nästa, kemisterna använder olika metoder för att karakterisera provet av palladiumkatalysatorpartiklar:speciellt palladiumkatalysatorns elektroniska egenskaper, fysisk form och kemisk aktivitet.

Tillhandahålls av University of Utah (nyheter:webb)