Metaller och metalloxider avsatta på motsatta ändar av ett kolnanorör. ett schema som visar en metall (röd) som kan dissociera väte (gul) på ett kolnanorör där väte kan färdas över till en metalloxid (blå). b SEM-bild av en nanorörskog med Pd och TiO2 avsatta på motsatta ändar genom metallavdunstning och efter behandling i väte i 1 h vid 400 °C. (Skalstapel i b anger 15 mikrometer). c–e Delar av toppen, mitten och botten av skogen, respektive, vid ökad förstoring. (Skalfältet indikerar från topp till botten 200, 500, och 250 nanometer). f–h EDS-spektra som motsvarar de platser som anges i c–e. Kreditera: Naturkommunikation (2018). DOI:10.1038/s41467-018-06100-9
Katalytisk forskning ledd av University of Oklahoma-forskaren Steven Crossley har utvecklat ett nytt och mer definitivt sätt att bestämma den aktiva platsen i en komplex katalysator. Hans teams forskning publicerades nyligen i Naturkommunikation .
Katalysatorer som består av metallpartiklar uppburna på reducerbara oxider visar lovande prestanda för en mängd olika nuvarande och framväxande industriella reaktioner, såsom produktion av förnybara bränslen och kemikalier. Även om de fördelaktiga resultaten av de nya materialen är uppenbara, att identifiera orsaken till katalysatorns aktivitet kan vara utmanande. Katalysatorer upptäcks och optimeras ofta genom försök och misstag, gör det svårt att frikoppla de många möjligheterna. Detta kan leda till beslut baserade på spekulativa eller indirekta bevis.
"När du placerar metallen på det aktiva stödet, den katalytiska aktiviteten och selektiviteten är mycket bättre än du skulle förvänta dig än om du skulle kombinera metallens prestanda med bara stödet, " förklarade Crossley, en kemiingenjör, Teigen presidentprofessor och Sam A. Wilson professor vid Gallogly College of Engineering. "Utmaningen är att när du sätter ihop de två komponenterna, det är svårt att förstå orsaken till den lovande prestandan." Att förstå karaktären av det katalytiska aktiva stället är avgörande för att kontrollera en katalysators aktivitet och selektivitet.
Crossleys nya metod för att separera aktiva platser samtidigt som metallens förmåga att skapa potentiella aktiva platser på stödet bibehålls, använder vertikalt odlade kolnanorör som fungerar som "vätemotorvägar." För att bestämma om katalytisk aktivitet var från antingen direkt kontakt mellan bäraren och metallen eller från metallinducerade promotoreffekter på oxidbäraren, Crossleys team separerade metallen palladium från oxidkatalysatorn titan med ett kontrollerat avstånd på en ledande bro av kolnanorör. Forskarna introducerade väte till systemet och verifierade att väte kunde migrera längs nanorören för att skapa nya potentiella aktiva platser på oxidstödet. De testade sedan den katalytiska aktiviteten hos dessa material och kontrasterade den mot aktiviteten hos samma material när metallen och stödet var i direkt fysisk kontakt.
"I tre experiment, vi kunde utesluta olika scenarier och bevisa att det är nödvändigt att ha fysisk kontakt mellan palladium och titan för att producera metylfuran under dessa förhållanden, sa Crossley.
Kolnanorörsvätemotorvägarna kan användas med en mängd olika bifunktionella katalysatorer.
"Med denna enkla och enkla metod, vi kan bättre förstå hur dessa komplexa material fungerar, och använda denna information för att göra bättre katalysatorer, sa Crossley.
