 Исследователи Университета Тафтса вывели новое поколение платиновых медных катализаторов, которые требуют очень низкой концентрации платины в виде отдельных атомов для чистого и недорогого выполнения важных химических реакций.
Платина используется в качестве катализатора в топливных элементах, в автомобильных преобразователей и в химической промышленности из-за ее замечательной способности облегчить широкий спектр химических реакций. Тем не менее, ее будущие потенциальные применения значительно ограничены нехваткой платины и ее стоимости, а также тем, что платина легко связывается с окисью углерода, которая «отравляет» желательные реакции, например, в топливных элементах полимерной электролитной мембраны, не основанных на батареях или двигателях внутреннего сгорания.
Исследователи обнаружили, что диспергирование отдельных, выделенных атомов платины в гораздо более дешевых медных поверхностях может создать высокоэффективный и экономически эффективным катализатор для селективного гидрирования 1,3-бутадиена – химиката, произведенного паровым крекингом нафты или каталитическим крекингом дизельного топлива . Бутадиен является примесью в пропеновых потоках, которые должны быть удалены из потока через гидрогенизацию с тем, чтобы облегчить производство полимеров. В настоящее время промышленный катализатор гидрирования бутадиена использует палладий и серебро.
Медь, в то время являясь относительно дешевым металлом, является не столь каталитически мощной, как платина. Поэтому исследователи хотели найти способ улучшить ее производительность.
Исследователи впервые проведены поверхностные научные экспериментов для изучения того, как именно смешиваются платина и медь. Они были очень довольны, обнаружив, что металл платины растворяется в меди, подобно тому, как сахар растворяется в горячем кофе, вплоть до отдельных атомов. Ученые называют такие материалы одноатомными сплавами.
Химики Тафтса используют специализированную низкотемпературную сканирующую туннельную микроскопию для визуализации отдельных атомов платины и их взаимодействия с водородом. Они обнаружили, что даже при низких температурах до минус 300 градусов по Фаренгейту атомы платины были способны к расщеплению молекул в атомы водорода, указывая на то, что атомы платины будет очень хорошо активировать водорода для химической реакции.
Модельный катализатор эффективно работал в данной реакции в условиях вакуума в лаборатории, поэтом ученые вывели исследование на следующий уровень. Они синтезировали небольшое количество реалистичных катализаторов, таких как одноатомный сплава наночастиц платины-меди, нанесенный на подложку оксида алюминия, а затем проверили их при промышленном давлении и температуре.
К их восхищению, эти катализаторы работали очень хорошо, и их производительность была устойчивой в течение многих дней. В то время как они ранее показывали, что палладий будет проводить соответствующую реакцию в закрытой системе реактора, их работа с платиной станет первый демонстрации работы в проточном реакторе при соответствующих промышленных условиях. Считается, что это подход также применим к другим драгоценным металлам при их добавлении в качестве компонентов в небольших количествах к меди.
Кроме того, исследователи обнаружили, что реакция фактически стала менее эффективной, когда они использовали больше платины, потому что кластеры атомов платины стали иметь худшую селективность по сравнению с отдельными атомами.
Поскольку платина находится в центре многих технологий чистой энергии и производства зеленой химии, такой, как топливные элементы, каталитические преобразователи, и химические вещества с добавленной стоимостью из био-возобновляемого сырья, то новые, менее дорогие платиновые медные катализаторы могут содействовать более широкому принятию подобных экологически чистых устройств и процессов.
|
