Dezvoltare mai rapidă - catalizatori mai buni - UTM
Dezvoltare mai rapidă - catalizatori mai buni
Curățarea gazelor de eșapament auto este unul dintre cele mai cunoscute procese catalitice. Dar aproape întreaga industrie chimică se bazează pe reacții catalitice. Prin urmare, proiectarea catalizatorului joacă un rol cheie în îmbunătățirea multor procese. O echipă internațională de oameni de știință a prezentat acum un concept care leagă elegant proprietățile geometrice și de adsorbție. Ei au demonstrat eficiența metodei lor folosind exemplul unui catalizator de platină nou dezvoltat pentru pilele de combustibil.
Hidrogenul ar fi un purtător de energie ideal: excesul de energie eoliană ar putea descompune apa în elementele sale, iar hidrogenul ar putea fi utilizat pentru a conduce mașini electrice cu celule de combustibil cu mare eficiență. Singurul gaz de evacuare ar fi apa, intervalul ar fi ca de obicei. Dar vehiculele cu celule de combustibil sunt încă rare. Platina (Pt) este extrem de costisitoare, iar producția globală nu ar fi suficientă pentru echiparea tuturor mașinilor.
Una dintre componentele cheie ale celulei de combustibil este catalizatorul de platină, pe suprafața căruia se reduce oxigenul. Cert este că nu întreaga suprafață a platinei este activă catalitic, ci doar câteva zone deosebit de expuse, așa-numiții centre active.
O echipă de oameni de știință de la Universitatea Tehnică din München (TUM), Universitatea Ruhr Bochum, École normal supérieure (ENS) Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) și Universitatea Claude lucrează la aflarea a ceea ce constituie un centru activ Bernard Lyon 1 (Franța) și Universitatea din Leiden (Olanda).
Studiu asupra modelului
O metodă comună pentru dezvoltarea convertoarelor catalitice și pentru modelarea proceselor care au loc pe convertorul catalitic este simularea computerizată a proceselor chimice. Cu toate acestea, pe măsură ce crește numărul atomilor care urmează să fie calculați, calculele chimice cuantice devin rapid extrem de complexe.
Cercetătorii prezintă acum o nouă abordare cu o metodă pe care au numit-o „Parcele de activitate de coordonare”. Pune proprietățile de adsorbție ale unei poziții considerate într-o legătură directă cu structura. Baza pentru aceasta este „numărul de coordonare generalizată” (GCN). Numără vecinii direcți ai unui atom și numerele de coordonare ale vecinilor săi (GCN).
Calculată conform noii metode, o suprafață tipică Pt (111) are o valoare GCN de 7,5. Catalizatorul optim, pe de altă parte, ar trebui să obțină o valoare de 8,3.Numărul mai mare de vecini necesar pentru aceasta poate fi atins, de exemplu, prin defecte specifice de construcție la suprafața platinei.
Test practic reușit
Pentru a dovedi acuratețea metodei lor, cercetătorii au proiectat pe computer un catalizator de platină care conținea un număr crescut de astfel de centre active. Apoi au produs catalizatorul model folosind trei căi sintetice diferite. În toate cele trei cazuri, catalizatorul a prezentat o activitate catalitică de trei ori și jumătate mai mare.
„Această lucrare deschide o cale complet nouă pentru dezvoltarea catalizatorului: proiectarea materialelor bazate pe principii geometrice de bază care sunt mai informative decât considerația energetică", spune Federico Calle-Vallejo. „Un alt avantaj al metodei este că se bazează în mod clar pe unul dintre principiile de bază ale chimiei, numărul de coordonare. Aceasta este o mare ușurare pentru dezvoltarea catalizatorului asistat de computer. "
„Cu aceste cunoștințe, s-ar putea dezvolta nanoparticule care conțin semnificativ mai puțină platină sau chiar să includă alte metale active catalitic”, spune profesorul Aliaksandr S. Bandarenka, profesor titular la Universitatea Tehnică din München. „Și în viitor vom aplica metoda noastră și altor catalizatori și procese.”
Activitatea de cercetare a fost susținută cu fonduri de la Uniunea Europeană în cadrul Inițiativei privind pilele de combustibil și hidrogen (FCH), Organizația Olandeză pentru Cercetare Științifică (NWO), Fundația Germană de Cercetare (SFB 749, Inițiativa Cluster de Excelență a Nanosistemelor din München (NIM) și Ruhr Explores Solvation ( RESOLV)) și Alianța Energetică Helmholtz.
publicare
Găsirea siturilor de suprafață optime pe catalizatori eterogeni prin numărarea celor mai apropiați vecini, Federico Calle-Vallejo, Jakub Tymoczko, Viktor Colic, Quang Huy Vu, Marcus D. Pohl, Karina Morgenstern, David Loffreda, Philippe Sautet, Wolfgang Schuhmann, Aliaksandr S. Bandarenka. Știință, 9 octombrie 2015; DOI: 10.1126/science.aab3501
Prof. Dr. Aliaksandr S. Bandarenka
Universitatea Tehnică din München
Fizica conversiei și stocării energiei
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germania
Tel.: +49 89 289 12531 - E-mail - Web