© iStockphoto.com/Gene Chutka
Förekomsten av kolmonoxid (CO) föroreningar i vätgas (H 2 ) kan ha en skadlig inverkan på bränslecellers prestanda. Nyligen genomförda studier har visat att guldnanopartiklar – partiklar mindre än fem nanometer breda – kan katalytiskt avlägsna CO-föroreningar från H 2 under milda temperatur- och tryckförhållanden. Denna genombrottsförståelse har hjälpt till att underlätta utvecklingen av bränslecellsfordon som använder bränslebearbetningsteknik "ombord". Tyvärr, guldnanopartiklar tenderar att förlora sin katalytiska aktivitet efter några timmars användning - och forskare måste övervinna detta problem om guldnanopartiklar ska användas.
Ziyi Zhong vid A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, Ming Lin vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och medarbetare har identifierat det subtila, strukturella transformationer i atomskala som kan aktivera och deaktivera guldnanopartikelkatalysatorer, ett fynd som kan leda till mer hållbara vätebränsleceller.
Forskarna tänkte designa en förbättrad katalysator för så kallade preferentiella oxidationsreaktioner (PROX). Detta tillvägagångssätt omvandlar CO-föroreningar till koldioxid (CO 2 30 keramiskt underlag innehållande metallkatalysatorer. Tidigare, teamet fann att kiseldioxidbaserade stöder, kallas SBA-15, skulle kunna öka CO-avlägsnandet genom att selektivt absorbera CO 2 biprodukt. Forskarna utnyttjade en annan SBA-15-egenskap – en mesoporös ram dekorerad av terminala amingrupper – för att konstruera en ny PROX-katalysator.
Först, teamet använde aminmodifiering för att sprida en blandning av guld och koppar(II)oxid (CuO)-prekursorer jämnt över SBA-15-stödet. De använde sedan värmebehandling för att generera guld- och CuO-nanopartiklar på SBA-15-stödet. De många porerna i SBA-15 och CuO-partiklarna arbetar tillsammans för att hindra agglomerering av guldnanopartiklar - en viktig orsak till katalysatoravaktivering.
Teamet uppnådde sedan en nästan aldrig tidigare skådad kemisk bedrift:lokaliserad strukturell karakterisering av deras katalysator i atomär skala, med hjälp av högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HR-TEM) och tredimensionell elektrontomografi (se filmen nedan). Dessa avbildningstekniker avslöjade att de aktiva katalysatorställena - guld eller guld-kopparlegerade nanopartiklar i omedelbar närhet av amorf och kristallin CuO - förblev stabila i upp till 13 timmar. Dock, den reducerande atmosfären omvandlar så småningom CuO till koppar(I)oxid och fri koppar; den senare legerar sedan med guldnanopartiklarna och deaktiverar dem. Lyckligtvis, uppvärmning till> 300°C vände legeringsprocessen och återställde katalysatorns aktivitet.
"Människor som arbetar med katalys är alltid nyfikna på de "lokala strukturerna" av deras material, " säger Zhong. "Eftersom Au-CuO/SBA-15-katalysatorn är aktiv vid rumstemperatur, avancerad karaktärisering i våra toppmoderna anläggningar är möjlig - även om det kräver stort tålamod och kräver tvärvetenskapligt samarbete."
