Крошечные частицы, большие сюрпризы: неожиданная сложность катализаторов

Венский технологический университет, 7 июня 2023 г.

Катализ под микроскопом. Исследователи из Венского технического университета, используя передовые методы микроскопии, обнаружили сложную структуру поведения катализатора. Исследование показало, что такие факторы, как размер частиц, природа материала носителя, температура и давление реагентов, играют решающую роль в каталитической активности. Открытие значительных локальных различий внутри отдельных частиц катализатора послужит основой для будущих исследований более сложных процессов и разработки улучшенных катализаторов. Кредит: ТУ Вена

В Венском техническом университете ученые используют методы микроскопии для более точного наблюдения за химическими реакциями на катализаторах, чем раньше, и получают множество деталей. Это прояснило, почему некоторые эффекты невозможно предсказать.

Катализаторы, состоящие из мельчайших металлических частиц, играют важную роль во многих областях технологий – от топливных элементов до производства синтетического топлива для хранения энергии. Однако точное поведение катализаторов зависит от многих мелких деталей, и их взаимодействие часто трудно понять. Даже при приготовлении одного и того же катализатора дважды часто случается, что эти два катализатора будут различаться в мельчайших аспектах и, следовательно, вести себя очень по-разному химически.

В Венском техническом университете ученые пытаются выявить причины таких эффектов, визуализируя каталитические реакции, происходящие в различных местах этих катализаторов, и применяя несколько различных методов микроскопии. Такой подход дает надежное и микроскопически правильное понимание каталитических процессов.

При этом оказалось, что даже относительно «простые» каталитические системы оказались более сложными, чем ожидалось. Например, каталитические свойства определяются не только размером используемых металлических частиц или химической природой материала носителя. Даже внутри одной металлической частицы в микрометровом масштабе могут преобладать разные сценарии. В сочетании с численным моделированием поведение различных катализаторов можно было бы объяснить и правильно спрогнозировать.

Для превращения водорода и кислорода в воду было использовано девять различных установок катализатора. Кредит: ТУ Вена

«Мы исследуем горение возможного будущего энергоносителя водорода с кислородом с образованием чистой воды, используя частицы родия в качестве катализаторов», — объясняет профессор Гюнтер Рупрехтер из Института химии материалов Венского технического университета. В этом процессе важную роль играют различные параметры: Насколько велики отдельные частицы родия? К какому вспомогательному материалу они привязаны? При какой температуре и каком давлении реагентов протекает реакция?

«Катализатор изготовлен из нанесенных на него частиц родия, но он не ведет себя как однородный объект, который можно описать несколькими простыми параметрами, как это часто пытались сделать в прошлом», — подчеркивает Гюнтер Рупрехтер. «Вскоре стало ясно, что каталитическое поведение сильно различается в разных местах расположения катализатора. Определенная область на одной частице родия может быть каталитически активной, тогда как другая, находящаяся всего в микрометрах, может быть каталитически неактивной. И через несколько минут ситуация могла даже измениться».

Для экспериментов первый автор исследования, опубликованного в престижном журнале ACS Catasis, доктор Филипп Винклер, подготовил потрясающий образец катализатора, включающий девять различных катализаторов с металлическими частицами разного размера и различными материалами носителя. Таким образом, в специальном аппарате все катализаторы можно было наблюдать и сравнивать одновременно в одном эксперименте.

«С помощью наших микроскопов мы можем определить, является ли катализатор каталитически активным, его химический состав и электронные свойства – и это для каждого отдельного пятна на образце», – говорит Филипп Винклер. «Напротив, традиционные методы обычно просто измеряют среднее значение для всей выборки. Однако, как мы продемонстрировали, этого часто бывает недостаточно».

Химический анализ в микроскопическом масштабе показал, что состав катализатора может варьироваться локально даже больше, чем ожидалось: даже внутри отдельных металлических частиц наблюдались сильные различия. «Атомы материала носителя могут мигрировать на частицы или внутри них или даже образовывать поверхностные сплавы», — утверждает Гюнтер Рупрехтер. «В какой-то момент даже нет четкой границы, а есть непрерывный переход между частицами катализатора и материалом носителя. Крайне важно учитывать этот факт, потому что он также влияет на химическую активность».