Katalyyttien tehostusta spineillä ja yksittäisillä atomeilla

Läpimurto, joka tuo nanotieteen askeleen lähemmäksi kemiallisten reaktioiden tarkkaa hallintaa kiinalaisen Hefei Institutes of Physical Sciencen tutkijaryhmä selvitti kuinka materiaalin magneettinen spin vaikuttaa sen katalyyttiseen aktiivisuuteen.

Professori Wu Zhikunin johtama työ yhteistyössä muutamien yliopistojen kanssa julkaistiin Science Advancesissa.

Kullan nanoklusterit – pienet hiukkaset, jotka koostuvat muutamasta sadoista kulta-atomeista – ovat ihanteellisia malleja tutkia, kuinka atomin rakenne vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin. Mutta tällaisten klustereiden rakenteen virittäminen atomi atomilta, varsinkin kun ne ovat suhteellisen suuria ja monimutkaisia, on pitkään ollut suuri haaste.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi ryhmä kehitti uuden synteesimenetelmän ja sitä kautta osoitti kyvyn muuttaa tarkasti materiaalin magneettista tilaa poistamalla klusterista yksi atomi ja yksi elektroni - hallintataso, joka harvoin saavutetaan nanomateriaaleissa.

Käyttämällä tätä klusterisarjaa tieteilijät pystyivät tutkimaan, kuinka magneettisen spinin jakautuminen muuttui rakenteessa. He havaitsivat, että spin-tiheys siirtyi ulospäin, kun keskusatomi poistettiin ja hiukkanen hapettui.

Vielä mielenkiintoisempaa on, että spineillä oli taipumus keskittyä enemmän jodiatomeihin kuin rikkiatomeihin, mikä osoittaa, että spinillä voi olla tärkeä rooli katalyyttisten ominaisuuksien virittämisessä.

Tämän idean testaamiseksi ryhmä arvioi, kuinka hyvin kukin kultananoklusterin versio voisi katalysoida hiilidioksidin pelkistämistä hiilimonoksidiksi. Diamagneettinen versio saavutti lähes 100 % Faradaic-hyötysuhteen suhteellisen alhaisella jännitteellä, mikä ylitti paramagneettiset vastineensa. Tämä tulos tukee vahvasti ajatusta, että magneettisella spinillä on merkittävä rooli katalyysissä.

Zhenxing Feng, Oregon State Universityn tohtoriopiskelijat Alvin Chang ja Mason Lyons sekä neljän kiinalaisen laitoksen tutkijat sukelsivat syvälle yhden atomin katalyytteihin (SAC). Niissä metallikatalyyttikohdat ovat eristettyinä yksittäisinä atomeina tukisubstraatilla.

"Yhden atomin katalyytit ovat nouseva tähti hydrauskatalyyttien joukossa ja osoittavat erinomaisia katalyyttisiä aktiivisuuksia verrattuna nanopartikkelikatalyytteihin", Feng sanoi. "Metallikatalyytin ja kantajamateriaalin väliset vuorovaikutukset johtavat ainutlaatuisiin synergioihin, jotka parantavat katalyyttistä aktiivisuutta ja vakautta."

"Palladium SAC:ien katalyyttisillä kyvyillä on universaali lineaarinen suhde niiden tukisubstraattien molekyylirata-asemaan", Feng sanoi. "Tämä avaa uuden tien metalli-tukiparien seulomiseen korkean aktiivisuuden ja vakauden suhteen. Havaitsimme myös, että tätä molekyylien kiertoradan sijaintia voidaan virittää vähentämällä tukihiukkasten kokoa, mikä johtaa SAC:ihin, joilla on ennätyskorkea aktiivisuus ja erinomainen stabiilisuus."

Aiheesta aiemmin:

Kaksitoiminen katalyytti tekee sen halvemmalla

Polymeeristä syntyy katalyyttikide

Sähkökentät katalysoivat grafeenin energia- ja laskentanäkymiä