Платина используется в качестве катализатора в топливных элементах, в автомобильных преобразователях и в химической промышленности из-за ее замечательной способности облегчать широкий спектр химических реакций. Однако ее потенциальное использование в будущем значительно ограничено дефицитом и стоимостью, а также тем фактом, что платина легко связывается с монооксидом углерода, который «отравляет» желаемые реакции, например, в топливных элементах с полимерно-электролитной мембраной (PEM), которые являются ведущие претенденты на малую и мобильную выработку электроэнергии, не основанную на батареях или двигателях внутреннего сгорания.
Исследователи Тафтса обнаружили, что диспергирование отдельных изолированных атомов платины на гораздо менее дорогих медных поверхностях может создать высокоэффективный и экономичный катализатор для селективного гидрирования 1,3-бутадиена, химического вещества, производимого паровым крекингом нафты или каталитическим крекингом газойль. Бутадиен является примесью в потоках пропена, которую необходимо удалить из потока путем гидрирования, чтобы облегчить последующее производство полимера. Текущий промышленный катализатор гидрирования бутадиена использует палладий и серебро.Как сахар в кофе
Медь, хотя и является относительно дешевым металлом, по своей каталитической силе не так сильно, как платина, отметил профессор химии Чарльз Сайкс, доктор философии, один из ведущих авторов статьи. «Мы хотели найти способ улучшить его производительность».Сначала исследователи провели эксперименты по науке о поверхности, чтобы точно изучить, как смешиваются платина и медь. «Мы были рады обнаружить, что металлическая платина растворяется в меди, как сахар в горячем кофе, вплоть до отдельных атомов. Мы называем такие материалы одноатомными сплавами», — сказал Сайкс.Химики Тафтса использовали специализированный низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп для визуализации отдельных атомов платины и их взаимодействия с водородом. «Мы обнаружили, что даже при температурах до минус 300 градусов по Фаренгейту эти атомы платины были способны расщеплять молекулы водорода на атомы, что указывает на то, что атомы платины очень хорошо активируют водород для химической реакции», — сказал Сайкс.
Обладая этими знаниями, Сайкс и его коллеги-химики обратились к давнему сотруднику Тафтса Марии Флитцани-Стефанопулос, доктору философии, профессору Роберта и Марси Хабер по устойчивому развитию энергетики в Школе инженерии, чтобы определить, какая реакция гидрогенизации будет наиболее эффективной. важно для промышленного применения. Ответом, по ее словам, был бутадиен.
Модельный катализатор эффективно работал в этой реакции в условиях вакуума в лаборатории, поэтому команда Флитцани-Стефанопулос вывела исследование на новый уровень. Они синтезировали небольшие количества реалистичных катализаторов, таких как наночастицы одноатомного сплава платины и меди, нанесенные на подложку из оксида алюминия, а затем протестировали их под промышленным давлением и температурами.
«К нашему удовольствию, эти катализаторы работали очень хорошо, и их эффективность была стабильной в течение многих дней», — сказал Флитцани-Стефанопулос. «Хотя ранее мы показали, что палладий будет проводить родственные реакции в системе закрытого реактора, эта работа с платиной является нашей первой демонстрацией работы в проточном реакторе в промышленных условиях. Мы считаем, что этот подход также применим к другим драгоценным металлам, если они будут добавлены. как второстепенные компоненты в меди ».Кроме того, исследователи обнаружили, что реакция фактически стала менее эффективной, когда они использовали больше платины, потому что кластеры атомов платины имеют более низкую селективность по сравнению с отдельными атомами. «В данном случае лучше меньше, да лучше, — сказал Флитцани-Стефанопулос, — что очень хорошо».Экологические преимущества
Поскольку платина находится в центре многих технологий производства экологически чистой энергии и экологически чистых химикатов, таких как топливные элементы, каталитические преобразователи и химикаты с добавленной стоимостью из био-возобновляемого сырья, новые менее дорогие платино-медные катализаторы могут способствовать более широкому внедрению таких «экологически чистые устройства и процессы», — добавила она.Эта работа является последним плодом длительного междисциплинарного партнерства Сайкса и Флитцани-Стефанопулос.«Мы с Марией встретились более семи лет назад и регулярно говорили о том, как объединить наши довольно разные области исследований в эффективное сотрудничество между школами искусств, наук и инженерии», — сказал Сайкс. «У меня был ультрасовременный микроскоп, который мог видеть атомы и молекулы и управлять ими, и я хотел использовать его уникальные возможности, чтобы получить представление о промышленно важных химических реакциях.
В начале 2000-х годов группа Марии первой изобрела единичный микроскоп. атомный подход для металлов, закрепленных на оксидных подложках, в качестве эксклюзивных активных центров для реакции конверсии водяного газа для обновления потоков водорода для использования в топливных элементах. Ноу-хау в области проектирования катализаторов уже существовало в ее лаборатории. Оглядываясь назад, кажется очевидным, что объединение сил могло бы быть "естественным" развитием. Вместе мы приступили к новому направлению, в котором одноатомные сплавы используются в качестве катализаторов реакций селективного гидрирования.
Наш микроскоп уникально подходит для определения атомного состава поверхностей. Мы получили финансирование от Национального научного фонда США.
Инициатива Energy and the Tufts Collaborates, направленная на продолжение этой новой области исследований ".Сайкс и Флитцани-Стефанопулос использовали этот подход для разработки различных катализаторов из одноатомных сплавов, которые в последние два года вызвали международный интерес.
«Традиционно разработка катализаторов происходит путем проб и ошибок и проверки многих материалов», — сказал Флитцани-Стефанопулос. «В этом исследовании мы использовали фундаментальный подход к пониманию структуры атомного масштаба и свойств поверхностей одноатомного сплава, а затем применили эти знания для разработки рабочего катализатора. Вооруженные этими знаниями, мы теперь готовы сравнить стабильность этих отдельных атомов. сплавные катализаторы к одноатомным катализаторам, нанесенным на различные оксидные или углеродные поверхности. Это может дать нам очень полезные критерии для разработки промышленного катализатора ».