По-бързо развитие - по-добри катализатори - TUM
По-бързо развитие - по-добри катализатори
Почистването на изгорелите газове от автомобила е един от най-известните каталитични процеси. Но почти цялата химическа индустрия се основава на каталитични реакции. Следователно дизайнът на катализатора играе ключова роля за подобряване на много процеси. Международен екип от учени представи концепция, която елегантно свързва геометричните и адсорбционни свойства помежду си. Те демонстрираха ефективността на техния метод, като използваха примера на новоразработен платинен катализатор за горивни клетки.
Водородът би бил идеален енергиен носител: Излишната вятърна енергия може да разгради водата в неговите елементи, а водородът може да се използва за захранване на електрически автомобили с горивни клетки с голяма ефективност. Единственият отработен газ ще бъде водата, обхватът ще бъде както обикновено. Но превозните средства с горивни клетки все още са рядкост. Platinum (Pt) е изключително скъп и световното производство не би било достатъчно за оборудването на всички автомобили.
Един от ключовите компоненти на горивната клетка е платиненият катализатор, на чиято повърхност кислородът е редуциран. Това, което е сигурно е, че не цялата платинена повърхност е каталитично активна, а само няколко особено изложени области, така наречените активни центрове.
Екип от учени от Техническия университет в Мюнхен (TUM), Рурския университет в Бохум, École normal supérieure (ENS) Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) и Университета на Клод работят върху откриването на това, което представлява активен център Бернард Лион 1 (Франция) и Университета в Лайден (Холандия).
Проучване по модела
Общ метод за разработване на катализатори и за моделиране на процесите, протичащи върху катализатора, е компютърно подпомогнатата симулация на химичните процеси. С увеличаването на броя на атомите, които трябва да се изчислят, квантово химичните изчисления бързо стават изключително сложни.
Сега изследователите представят нов подход с метод, който те нарекоха „Сюжети за координационна дейност“. Той поставя адсорбционните свойства на дадена позиция в пряка връзка със структурата. Основата за това е „обобщеното координационно число“ (GCN). Той отчита преките съседи на атом и координационните номера на съседите му (GCN).
Изчислена по новия метод, типична Pt (111) повърхност има GCN стойност 7,5. Оптималният катализатор, от друга страна, трябва да постигне стойност от 8,3. По-големият брой съседи, необходими за това, може да се постигне, например, чрез специално изграждане на дефекти в платинената повърхност.
Успешен практически тест
За да докажат точността на техния метод, изследователите са проектирали платинен катализатор на компютъра, който съдържа увеличен брой такива активни центрове. След това те произвеждат моделния катализатор, използвайки три различни синтетични пътя. И в трите случая катализаторът показва три и половина пъти по-висока каталитична активност.
„Тази работа отваря изцяло нов път за разработване на катализатор: проектирането на материали, базирани на основни геометрични принципи, които са по-информативни от енергийните съображения,“ казва Федерико Кале-Валехо. „Друго предимство на метода е, че той е ярко базиран на един от основните принципи на химията, координационното число. Това е значително облекчение за компютърно подпомогнатото разработване на катализатор. "
„С тези познания бихме могли да развием наночастици, които съдържат значително по-малко платина или дори да включват други каталитично активни метали“, казва професор Александър С. Бандаренка, професор по владеене на владения в Техническия университет в Мюнхен. "И в бъдеще ще прилагаме нашия метод и към други катализатори и процеси."
Изследователската работа беше подкрепена със средства от Европейския съюз в рамките на Инициативата за горивни клетки и водород (FCH), Нидерландската организация за научни изследвания (NWO), Германската изследователска фондация (SFB 749, Клъстер за върхови постижения на наносистемните инициативи в Мюнхен (NIM) и Ruhr Explores Solvation ( RESOLV)) и Енергийния алианс на Хелмхолц.
публикация
Намиране на оптимални повърхностни места на хетерогенни катализатори чрез преброяване на най-близките съседи, Федерико Кале-Валехо, Якуб Тимочко, Виктор Колич, Куанг Хю Ву, Маркус Д. Пол, Карина Моргенштерн, Дейвид Лофреда, Филип Соте, Волфганг Шуман, Александър С. Бандаренка. Science, 9 октомври 2015 г .; DOI: 10.1126/science.aab3501
Професор доктор. Александър С. Бандаренка
Технически университет в Мюнхен
Физика на преобразуване и съхранение на енергия
James-Franck-Str. 1, 85748 Гархинг, Германия
Тел .: +49 89 289 12531 - E-mail - Web