När det gäller metallkatalysatorer, platinastandarden är, väl, platina! Dock, till cirka $2, 000 ett uns, platina är dyrare än guld. Den höga kostnaden för råvaran innebär stora utmaningar för den framtida bredskaliga användningen av platina i bränsleceller. Forskning vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tyder på att ett möjligt sätt att möta dessa utmaningar är att tänka litet – riktigt smått.

En studie ledd av Gabor Somorjai och Miquel Salmeron från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning visade att under högt tryck, jämförbar med det tryck vid vilket många industriella tekniker fungerar, nanopartikelkluster av platina kan potentiellt överträffa de enkelkristaller av platina som nu används i bränsleceller och katalysatorer.

"Vi har upptäckt att närvaron av kolmonoxidmolekyler kan reversibelt förändra de katalytiska ytorna på platinaenkristaller, förmodligen den mest termodynamiskt stabila konfigurationen för en platinakatalysator, " sa Somorjai, en av världens främsta experter på ytkemi och katalys. "Detta indikerar att under högtrycksförhållanden, enkelkristaller av platina är inte lika stabila som nanokluster, som faktiskt blir mer stabiliserade när kolmonoxidmolekyler samadsorberas tillsammans med platinaatomer."

"Våra resultat visar också att begränsningarna hos traditionella ytvetenskapliga tekniker kan övervinnas med användning av tekniker som fungerar under realistiska förhållanden, säger Salmeron, en ledande auktoritet inom ytavbildning och utvecklare av in situ-avbildning och spektroskopiska tekniker som används i denna studie. Han är också chef för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning.

I den här studien, enkristalliga platinaytor undersöktes under högt tryck. Ytorna var strukturerade som en serie plana terrasser med cirka sex atomer breda åtskilda av atomsteg. Sådana strukturella egenskaper är vanliga i metallkatalysatorer och anses vara de aktiva ställena där katalytiska reaktioner inträffar. Enkristaller används som modeller för dessa funktioner.

Somorjai och Salmeron belade platinaytorna i denna studie med kolmonoxidgas, en reaktant involverad i många viktiga industriella katalytiska processer, inklusive Fischer-Tropsch-processen för framställning av flytande kolväten, oxidationsprocessen i bilkatalysatorer, och nedbrytningen av platinaelektroder i vätebränsleceller. När kolmonoxidtäckningen av platinakristallytorna närmade sig 100 procent, terrasserna började vidgas - resultatet av ökande lateral avstötning mellan molekylerna. När yttrycket nådde en torr, terrasserna splittrades i nanometerstora kluster. Terrasserna omformades efter avlägsnande av kolmonoxidgasen.

"Våra observationer av den storskaliga ytomstruktureringen av stegplatina belyser det starka sambandet mellan täckning av reaktantmolekyler och katalysatorytans atomära struktur, "säger Somorjai." Förmågan att observera katalytiska ytor på atom- och molekylnivåer under faktiska reaktionsförhållanden är det enda sättet att ett sådant fenomen kan upptäckas. "

Katalysatorer - ämnen som påskyndar kemiska reaktioner utan att själva förändras kemiskt - används för att initiera praktiskt taget varje industriell tillverkningsprocess som involverar kemi. Metallkatalysatorer är arbetshästarna med platina som en av de bästa. Industriella katalysatorer arbetar vanligtvis under tryck som sträcker sig från millitorr till atmosfärer, och vid temperaturer från rum till hundratals grader Celsius. Dock, ytvetenskapliga experiment har traditionellt utförts under höga vakuumförhållanden och låga temperaturer.

"Sådana förhållanden kommer sannolikt att hämma varje ytomstruktureringsprocess som kräver att man övervinner även måttliga aktiveringsbarriärer, " säger Somorjai.

Säger Salmeron, "Den obesvarade frågan idag är vad är geometrin och placeringen av katalysatoratomerna när ytorna är täckta med täta lager av molekyler, som sker under en kemisk reaktion."

Somorjai och Salmeron har under många år samarbetat kring utvecklingen av instrumentering och tekniker som gör det möjligt för dem att göra katalysstudier under realistiska förhållanden. De har nu till sitt förfogande unika högtrycksscannande tunnelmikroskop (STM) och en röntgenfotoelektronspektroskopi (AP-XPS) strållinje för omgivande tryck som arbetar vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla, en främsta källa för synkrotronstrålning för vetenskaplig forskning.

"Med dessa två resurser, vi kan avbilda atomstrukturen och identifiera det kemiska tillståndet hos katalysatoratomer och adsorberade reaktantmolekyler under industriella tryck och temperaturer, " säger Salmeron.

STM-bilder avslöjade bildandet av nanokluster på platinakristallytorna, och AP-XPS-spektra avslöjade en förändring i kolmonoxidelektronbindande energier. Ett efterföljande samarbete med Lin-Wang Wang, en teoretiker vid Berkeley Labs Computational Sciences Division, förklarade förändringen i struktur som ett resultat av relaxationen av den starka repulsionen mellan kolmonoxidmolekyler som uppstår från deras mycket höga densitet på ytan när de är i jämvikt med förhöjda gastryck.

"I framtiden, Användningen av dessa stabila platinananokluster som bränslecellskatalysatorer kan bidra till att öka prestandan och minska kostnaderna, "Somorjai säger.

Nästa steg för Somorjai och Salmeron och deras forskargrupp kommer att vara att avgöra om andra adsorberade reaktanter, såsom syre eller väte, resulterar också i skapandet av nanokluster i platina. De vill också veta om nanokluster kan induceras i andra metallkatalysatorer också, som palladium, silver, koppar, rodium, järn och kobolt.

"Om denna nanoklustring är ett allmänt fenomen, det kommer att få stora konsekvenser för den typ av strukturer som katalysatorer måste ha under högt tryck, katalytiska reaktionsförhållanden vid hög temperatur, " säger Somorjai.