Rýchlejší vývoj - lepšie katalyzátory - TUM

Rýchlejší vývoj - lepšie katalyzátory

Čistenie výfukových plynov z automobilov je jedným z najznámejších katalytických procesov. Ale takmer celý chemický priemysel je založený na katalytických reakciách. Dizajn katalyzátora preto hrá kľúčovú úlohu pri zlepšovaní mnohých procesov. Medzinárodný tím vedcov teraz predstavil koncept, ktorý elegantne spája navzájom geometrické a adsorpčné vlastnosti. Účinnosť svojej metódy preukázali na príklade novo vyvinutého platinového katalyzátora pre palivové články.

Vodík by bol ideálnym nosičom energie: prebytočná veterná energia by mohla rozložiť vodu na svoje prvky a vodík by sa mohol použiť na pohon elektrických automobilov s palivovými článkami s vysokou účinnosťou. Jediným výfukovým plynom by bola voda, dosah by bol ako obvykle. Ale vozidlá s palivovými článkami sú stále vzácnosťou. Platina (Pt) je mimoriadne drahá a globálna výroba by nestačila na vybavenie všetkých automobilov.

rýchlejší

Jednou z kľúčových zložiek palivového článku je platinový katalyzátor, na povrchu ktorého je redukovaný kyslík. Isté je, že nie celý povrch platiny je katalyticky aktívny, ale iba niekoľko obzvlášť exponovaných oblastí, tzv. Aktívne centrá.

Tím vedcov z Technickej univerzity v Mníchove (TUM), Ruhr University Bochum, École normal supérieure (ENS) Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a University of Claude pracuje na zistení, čo predstavuje aktívne centrum Bernard Lyon 1 (Francúzsko) a University of Leiden (Holandsko).

Štúdia na modeli

Bežnou metódou pre vývoj katalyzátorov a pre modelovanie procesov prebiehajúcich na katalyzátore je počítačová simulácia chemických procesov. S rastúcim počtom atómov sa však kvantovo-chemické výpočty rýchlo stávajú mimoriadne časovo náročnými.

Vedci teraz prezentujú nový prístup s metódou, ktorú nazvali „Pozemky pre koordinačnú činnosť“. Dáva adsorpčné vlastnosti uvažovanej polohy do priameho spojenia so štruktúrou. Základom je „všeobecné číslo koordinácie“ (GCN). Počíta priameho suseda s atómom a koordinačné čísla jeho susedov (GCN).

Vypočítaný podľa novej metódy má typický povrch Pt (111) hodnotu GCN 7,5. Optimálny katalyzátor by mal na druhej strane dosiahnuť hodnotu 8,3. Väčší počet susedov potrebných na to je možné dosiahnuť napríklad špecifickým zabudovaním defektov do platinového povrchu.

Úspešná praktická skúška

Aby sa dokázala presnosť ich metódy, navrhli vedci v počítači platinový katalyzátor, ktorý obsahoval zvýšený počet takýchto aktívnych centier. Potom vyrobili modelový katalyzátor pomocou troch rôznych syntetických postupov. Vo všetkých troch prípadoch katalyzátor vykazoval trikrát a polkrát vyššiu katalytickú aktivitu.

„Táto práca otvára úplne novú cestu pre vývoj katalyzátora: návrh materiálov založený na základných geometrických princípoch, ktoré sú informatívnejšie ako energetické hľadisko," hovorí Federico Calle-Vallejo. „Ďalšou výhodou metódy je, že je založená na jednej z týchto metód: základné princípy chémie, koordinačné číslo. To je značná úľava pre vývoj katalyzátora pomocou počítača. “

„S týmito znalosťami by bolo možné vyvinúť nanočastice, ktoré obsahujú podstatne menej platiny alebo dokonca obsahujú ďalšie katalyticky aktívne kovy,“ hovorí profesor Aliaksandr S. Bandarenka, profesor držby na Technickej univerzite v Mníchove. „A v budúcnosti našu metódu použijeme aj na ďalšie katalyzátory a procesy.“

Výskumné práce boli podporené z prostriedkov Európskej únie v rámci Iniciatívy pre palivové články a vodík (FCH), Holandskej organizácie pre vedecký výskum (NWO), Nemeckej výskumnej nadácie (SFB 749, Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM) a Ruhr Explores Solvation ( RESOLV)) a Helmholtz Energy Alliance.

publikácia

Nájdenie optimálnych povrchových lokalít na heterogénnych katalyzátoroch spočítaním najbližších susedov: Federico Calle-Vallejo, Jakub Tymoczko, Viktor Colic, Quang Huy Vu, Marcus D. Pohl, Karina Morgenstern, David Loffreda, Philippe Sautet, Wolfgang Schuhmann, Aliaksandr S. Bandarenka. Veda, 9. októbra 2015; DOI: 10.1126/science.aab3501

Prof. Dr. Aliaksandr S. Bandarenka
Technická univerzita v Mníchove
Fyzika premeny a ukladania energie
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Nemecko
Tel.: +49 89 289 12531 - E-mail - Web