ทำไมขนาดจึงสำคัญสำหรับทองคำเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

Anonim

ทองเป็นโลหะที่สูงส่งที่สุดที่ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน อย่างไรก็ตามทองคำนาโนมีความสามารถพิเศษในการทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแม้ในอุณหภูมิต่ำ กลไกพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติขึ้นอยู่กับขนาดนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้สึกท้อแท้ตั้งแต่ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบในปลายทศวรรษที่ 1980

ทีมนักวิจัยซึ่งรวมถึง Yingge Du, Chongmin Wang และ Jun Li แห่ง Pacific Northwest National Laboratory ได้ตั้งคำถามนี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านทางสิ่งแวดล้อมที่ได้รับการแก้ไขอย่างไม่ถูกต้อง ผลงานของพวกเขาได้เปิดเผยข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ เกี่ยวกับคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาพิเศษของอนุภาคทองคำอัลตราซาวด์เมื่อสัมผัสกับแก๊สตัวทำละลาย รายละเอียดของการค้นพบของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ใน รายงานของ National Academy of Sciences ฉบับ "โครงสร้างขนาดอนุภาคของอนุภาคนาโนทองที่สนับสนุนในสภาวะการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของ CO"

การศึกษาแหล่งกำเนิดของกระจุกดาวทอง ultrasmall ในสภาพแวดล้อมที่มีปฏิกิริยาทำให้ขาดความเป็นไปได้ทำให้ยากที่จะตรวจสอบต้นกำเนิดของขนาดของผลในการเร่งปฏิกิริยา การศึกษาครั้งนี้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องในบริเวณใกล้เคียงเพื่อแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนทองคำเมื่อแยกตัวออกมาเป็นขนาดที่สำคัญมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิกภายใต้สภาวะการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาและอะตอมของทองคำทั้งหมดในคลัสเตอร์สามารถทำงานได้เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา หลักฐานการเปลี่ยนแปลงที่ระดับ ultrasmall นี้สามารถหาได้จากลักษณะเฉพาะของ situ และ operando เท่านั้น

การค้นพบนี้ท้าทายความคิดแบบคลาสสิกว่าทองเป็นตัวเร่งปฏิกิริยามีโครงสร้างเหมือนกันระหว่างสภาวะคงที่และตัวเร่งปฏิกิริยา ในความเป็นจริงกลุ่มทองคำ ultrasmall ที่มีเสถียรภาพเหล่านี้อาจเปลี่ยนเป็นระยะ metastable ได้ ผลการทดลองนี้ยังชี้ให้เห็นว่าตัวนาโนคาร์บอนไดอ็อกไซด์อาจทำงานเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวแบบไดนามิกซึ่งเป็นแนวคิดที่กระตุ้นความสนใจที่น่าทึ่งในชุมชนเร่งปฏิกิริยา

"ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและความมั่นคงที่ตั้งไว้ที่นี่จะนำไปสู่การเปลี่ยนกระบวนทัศน์ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมที่มีประสิทธิภาพ" วังกล่าว

กลุ่มดาวทองที่ได้รับความร้อนจากอนุภาคของผลึกเดี่ยว (CeO 2 (111)) ได้รับการสัมผัสกับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และก๊าซออกซิเจน (CO + O 2) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในสิ่งแวดล้อมร่วมกับการคำนวณแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์และการจำลองโมเลกุลของพลวัต นักวิจัยตั้งข้อสังเกตเกี่ยวกับการตอบสนองโครงสร้างต่างๆของก๊าซสารตั้งต้นโดยขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคนาโน ในรูปแบบ ultrasmall (หลายสิบอะตอม) อนุภาคนาโนทองคำได้แสดงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิกภายใต้สภาวะการทำงานที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โครงสร้างที่แท้จริงได้หายไปและกลุ่มกลายเป็นระเบียบในขณะที่อะตอมที่มีการประสานงานแบบไดนามิกที่เกิดขึ้นที่พื้นผิว การจำลองแบบโมเลกุลและพลวัตของ ab initio ยืนยันข้อสังเกตเหล่านี้และเปิดเผยต่อไปว่าการสร้างอะตอมที่มีการประสานงานแบบไดนามิกผ่านทางสายทองคำคาร์บอนิลอาจทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการทำงานแบบไดนามิกสำหรับการออกซิเดชันของ CO

สำหรับอนุภาคขนาดนาโนที่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อย (ไม่เกินสองสามร้อยอะตอม) ทรงกลมที่มีโครงสร้างเป็นศูนย์กลางอยู่ตรงกลางจะเปลี่ยนโครงสร้างเป็นระเบียบภายใต้การสัมผัสของ CO และ O 2 ซึ่งกลายเป็นอะตอมทองที่มีการประสานกันต่ำและคล้ายกับของเหลว

ในทางตรงกันข้ามอนุภาคขนาดนาโนที่มีขนาดใหญ่ยังคงโครงสร้างของพวกเขาขณะที่อยู่ระหว่างการปรับโครงสร้างผิวที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น

การตอบสนองโครงสร้างที่ขึ้นกับขนาดของก๊าซปฏิกิริยาโดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างอะตอมอะตอมแบบไดนามิกที่มีการประสานงานต่ำในอนุภาคทองคำ ultrasmall สามารถช่วยเพิ่มปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการขนส่งที่ยืดหยุ่นของ CO ไปยังไซต์ที่มีปฏิกิริยาดังนั้นจึงมีการระบุสาเหตุของสาเหตุที่ทำให้ขนาดเล็กมีความสำคัญสำหรับ การเร่งปฏิกิริยาทองและทำไมอนุภาคนาโนทองที่มีขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะเฉื่อยชา

ทีมงานเชื่อว่าควรจะมีการศึกษาเพิ่มเติมว่าอนุภาคนาโนทองคำจะเปลี่ยนจากโครงสร้างที่สั่งให้เป็นโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบและเพื่อทำความเข้าใจว่าผลกระทบขนาดนี้มีอยู่ในระบบตัวเร่งปฏิกิริยาอื่น ๆ หรือไม่ พวกเขากำลังแสวงหาเงินทุนเพิ่มเติมและทรัพยากรเพื่อสนับสนุนการวิจัยที่ขยายตัวในพื้นที่นี้

menu
menu