Forskare från Tokyo Metropolitan University har utvecklat ett sätt att lägga till enstaka nanoskivor av blandad metalloxid till guldnanopartiklar stödda på kiseldioxid för att förbättra deras katalytiska aktivitet.
Genom att omvandla kolmonoxid till koldioxid fann de att temperaturen som krävdes för reaktionen reducerades avsevärt, med betydande förbättringar jämfört med befintliga metoder för beläggning av guld/kiseldioxidstrukturer. Metoden banar väg för utvecklingen av ett brett utbud av nya högpresterande katalysatorer. Resultaten publiceras i tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces .
Guldnanopartiklar, partiklar mindre än fem nanometer i diameter, är kända för att vara utmärkta katalysatorer för kemiska reaktioner, särskilt oxidationsreaktioner som omvandling av skadlig kolmonoxid till koldioxid. Effekten är uttalad när de är monterade på metalloxider som koboltoxid, som är mer benägna att genomgå motsatt reaktion, dvs reducerbara oxider.
Tyvärr är inte alla metalloxider reducerbara. Nanopartiklar monterade på irreducerbara oxider som kiseldioxid, till exempel, utgör inte en effektiv katalysator. Med tanke på det överflöd av kiseldioxid på vår planet skulle ett sätt att förbättra prestandan hos sådana material avsevärt öka industriell användning.
Detta har fått forskare att leta efter sätt de kan modifiera katalysatorer som stöds för att förbättra deras prestanda.
Nu har ett team under ledning av docent Tamao Ishida vid Tokyo Metropolitan University kommit på en metod för att deponera enstaka nanoskivor av blandade metalloxider (MMO) med skiktade dubbla hydroxider (LDH).
LDH består av metallhydroxidnanoskivor med en del av metalljonerna ersatta av metalljoner med högre laddning, vilket ger själva arket en positiv nettoladdning; ark är sammanbundna av negativa joner. Viktigt är att enskilda nanoark kan exfolieras och användas separat.
I den här studien belade teamet guldnanopartiklar stödda på kiseldioxid, en negativt laddad struktur, med positivt laddade LDH-nanoskivor bestående av aluminium och en rad andra metaller, och exponerade dem sedan för höga temperaturer (kalcinering) för att bilda ett MMO-nanoskikt.
Genom att observera deras nya katalysator, med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, fann de att nanopartiklarna var belagda med ett lager på mindre än en nanometer i tjocklek. För att testa deras prestanda använde teamet dem för att omvandla kolmonoxid till koldioxid.
Medan guldnanopartiklar på kiseldioxid endast hade en omvandlingshastighet på cirka 20% även vid 300° Celsius, visade deras nya katalysator 50% omvandlingshastighet vid endast 50° Celsius, en minskning med mer än 250° Celsius. Det visade sig också överträffa populära "impregneringsmetoder" för MMO-beläggning.
Intressant nog fann man att tjockare MMO-lager ledde till sämre prestanda:den höga prestandan kommer från att ha en sub-nanometerbeläggning. När man tittade på ett MMO-lager av koboltaluminium mer i detalj fann de ett överflöd av syredefekter i lagret; teamet drog slutsatsen att den nära synergin mellan detta defektfyllda skikt och guldytan var det som gav upphov till den ökade aktiviteten.
Den nya katalysatorn uppnådde enastående prestanda med mycket låga nivåer av koboltinneslutning, mindre än 0,3 viktprocent. Resultaten banar väg för tillämpning på ett brett utbud av andra material och en hel familj av nya, högpresterande katalysatorer.
Mer information: Kaho Okayama et al, dekoration av guld- och platinananoparticle-katalysatorer med 1 nm tjockt metalloxidöverskikt och dess effekt på CO-oxidationsaktiviteten, ACS-tillämpade material och gränssnitt (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Tokyo Metropolitan University
