Att ersätta de dyra metallerna som bryter ner avgaserna i katalysatorer med billigare, effektivare material är en högsta prioritet för forskare, av både ekonomiska och miljömässiga skäl. Katalysatorer krävs för att utföra kemiska reaktioner som annars inte skulle inträffa, som att omvandla förorenande gaser från bilavgaser till rena föreningar som kan släppas ut i miljön. För att förbättra dem, forskare behöver en djupare förståelse för exakt hur deras katalysatorer fungerar.

Nu har ett team vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory identifierat exakt vilka par av atomer i en nanopartikel av palladium och platina - en kombination som vanligtvis används i omvandlare - som är mest aktiva för att bryta ner dessa gaser.

De svarade också på en fråga som har förbryllat katalysatorforskare:Varför fungerar större katalysatorpartiklar ibland bättre än mindre, när du förväntar dig motsatsen? Svaret har att göra med hur partiklarna ändrar form under reaktionsförloppet, skapa fler av dessa mycket aktiva webbplatser.

Resultaten är ett viktigt steg mot tekniska katalysatorer för bättre prestanda i både industriella processer och utsläppskontroller, sa Matteo Cargnello, en biträdande professor i kemiteknik vid Stanford som ledde forskargruppen. Deras rapport publicerades den 17 juni i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Det mest spännande resultatet av detta arbete var att identifiera var den katalytiska reaktionen sker - på vilka atomära platser du kan utföra denna kemi som tar en förorenande gas och förvandlar den till ofarligt vatten och koldioxid, vilket är otroligt viktigt och otroligt svårt att göra, ", sa Cargnello. "Nu när vi vet var de aktiva webbplatserna finns, vi kan konstruera katalysatorer som fungerar bättre och använder billigare ingredienser."

Katalysatorer krävs för att utföra kemiska reaktioner som annars inte skulle inträffa, som att omvandla förorenande gaser från bilavgaser till rena föreningar som kan släppas ut i miljön. I en bils katalysator, nanopartiklar av ädla metaller som palladium och platina är fästa på en keramisk yta. När utsläppsgaserna strömmar förbi, atomer på ytan av nanopartiklarna låser sig vid passerande gasmolekyler och uppmuntrar dem att reagera med syre för att bilda vatten, koldioxid och andra mindre skadliga kemikalier. En enda partikel katalyserar miljarder reaktioner innan den blir utmattad.

Dagens katalysatorer är designade för att fungera bäst vid höga temperaturer, Cargnello sa, det är därför de flesta skadliga avgasutsläppen kommer från fordon som precis börjar bli varmare. Med fler motorer konstruerade för att fungera vid lägre temperaturer, det finns ett akut behov av att identifiera nya katalysatorer som presterar bättre vid dessa temperaturer, samt i fartyg och lastbilar som sannolikt inte kommer att gå över till eldrift inom kort.

Men vad gör en katalysator mer aktiv än en annan? Svaret har varit svårfångat.

I den här studien, forskargruppen tittade på katalysatornanopartiklar gjorda av platina och palladium ur två perspektiv – teori och experiment – ​​för att se om de kunde identifiera specifika atomstrukturer på sin yta som bidrar till högre aktivitet.

Rundare partiklar med taggiga kanter

På teorisidan, SLAC-forskaren Frank Abild-Pedersen och hans forskargrupp vid SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis skapade ett nytt tillvägagångssätt för att modellera hur exponering för gaser och ånga under kemiska reaktioner påverkar en katalytisk nanopartikels form och atomstruktur. Detta är beräkningsmässigt mycket svårt, Abild-Pedersen sa, och tidigare studier hade antagit att partiklar existerade i ett vakuum och aldrig förändrats.

Hans grupp skapade nya och enklare sätt att modellera partiklar på en mer komplex, realistisk miljö. Beräkningar av postdoktorala forskare Tej Choksi och Verena Streibel föreslog att när reaktionerna fortskrider, de åttasidiga nanopartiklarna blir rundare, och deras lägenhet, facettliknande ytor blir en serie taggiga små steg.

Genom att skapa och testa nanopartiklar av olika storlekar, var och en med olika förhållande mellan taggiga kanter och plana ytor, teamet hoppades komma in på exakt vilken strukturell konfiguration, och även vilka atomer, bidrog mest till partiklarnas katalytiska aktivitet.

Lite hjälp av vatten

Ängel Yang, en Ph.D. student i Cargnellos grupp, tillverkade nanopartiklar av exakt kontrollerade storlekar som var och en innehöll en jämnt fördelad blandning av palladium- och platinaatomer. Att göra detta, hon var tvungen att utveckla en ny metod för att göra de större partiklarna genom att så dem runt mindre. Yang använde röntgenstrålar från SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource för att bekräfta sammansättningen av nanopartiklarna som hon gjorde med hjälp av SLAC:s Simon Bare och hans team.

Sedan körde Yang experiment där nanopartiklar av olika storlekar användes för att katalysera en reaktion som förvandlar propen, ett av de vanligaste kolvätena som finns i avgaserna, till koldioxid och vatten.

"Vattnet här spelade en särskilt intressant och fördelaktig roll, sa hon. Normalt förgiftar det, eller avaktiverar, katalysatorer. Men här gjorde exponeringen för vatten partiklarna rundare och öppnade upp mer aktiva platser."

Resultaten bekräftade att större partiklar var mer aktiva och att de blev rundare och mer taggiga under reaktioner, som beräkningsstudierna förutspådde. De mest aktiva partiklarna innehöll den största andelen av en viss atomkonfiguration - en där två atomer, var och en omgiven av sju närliggande atomer, bilda par för att utföra reaktionsstegen. Det var dessa "7-7 par" som gjorde att stora partiklar kunde prestera bättre än mindre.

Går framåt, Yang sa, hon hoppas kunna ta reda på hur man sådd nanopartiklar med mycket billigare material för att få ner kostnaderna och minska användningen av sällsynta ädelmetaller.

Intresse från industrin

Forskningen finansierades av BASF Corporation, en ledande tillverkare av avgasreningsteknik, genom California Research Alliance, som samordnar forskning mellan BASF-forskare och sju västkustuniversitet, inklusive Stanford.

"Det här dokumentet tar upp grundläggande frågor om aktiva webbplatser, med teori och experimentella perspektiv som går samman på ett riktigt trevligt sätt för att förklara de experimentella fenomenen. Detta har aldrig gjorts förut, och det är därför det är ganska betydelsefullt, sa Yuejin Li, en senior huvudforskare vid BASF som deltog i studien.

"I slutet, " han sa, "vi vill ha en teoretisk modell som kan förutsäga vilken metall eller kombination av metaller som kommer att ha ännu bättre aktivitet än vår nuvarande teknik."