Швидший розвиток - кращі каталізатори - TUM
Швидший розвиток - кращі каталізатори
Очищення вихлопних газів автомобілів є одним з найбільш відомих каталітичних процесів. Але майже вся хімічна промисловість базується на каталітичних реакціях. Тому дизайн каталізатора відіграє ключову роль у вдосконаленні багатьох процесів. Зараз міжнародна група вчених представила концепцію, яка елегантно поєднує геометричні та адсорбційні властивості між собою. Вони продемонстрували ефективність свого методу на прикладі нещодавно розробленого платинового каталізатора для паливних елементів.
Водень буде ідеальним носієм енергії: надлишок енергії вітру може розбити воду на її елементи, а водень може бути використаний для живлення електричних автомобілів на паливних елементах з великою ефективністю. Єдиним вихлопним газом буде вода, діапазон буде як завжди. Але транспортні засоби на паливних елементах все ще рідкість. Платина (Pt) надзвичайно дорога, і світового виробництва не вистачить для оснащення всіх автомобілів.
Одним з ключових компонентів паливного елемента є платиновий каталізатор, на поверхні якого відновлюється кисень. Безперечно, що каталітично активною є не вся поверхня платини, а лише кілька особливо відкритих ділянок, так звані активні центри.
Команда вчених з Технічного університету Мюнхена (TUM), Рурського університету в Бохумі, Нормальної вищої школи (ENS) Ліона, Національного центру наукових досліджень (CNRS) та Університету Клода працює над виявленням того, що є активним центром Бернар Ліон 1 (Франція) та Лейденський університет (Нідерланди).
Навчіться за моделлю
Загальним методом розробки каталітичних нейтралізаторів та моделювання процесів, що відбуваються на каталітичному нейтралізаторі, є автоматизоване моделювання хімічних процесів. Однак із збільшенням кількості атомів, що підлягає розрахунку, квантово-хімічні розрахунки швидко стають надзвичайно складними.
Зараз дослідники представляють новий підхід із методом, який вони назвали «Ділянки координаційної діяльності». Це ставить адсорбційні властивості розглянутої позиції у прямий зв’язок із конструкцією. Основою цього є «узагальнене координаційне число» (GCN). Він підраховує прямих сусідів атома та координаційні числа його сусідів (GCN).
Розрахована за новим методом, типова поверхня Pt (111) має значення ГКН 7,5. З іншого боку, оптимальний каталізатор повинен досягти значення 8,3. Більшої кількості сусідів, необхідних для цього, можна досягти, наприклад, спеціальним включенням дефектів у поверхню платини.
Успішний практичний тест
Для того, щоб довести точність свого методу, дослідники розробили платиновий каталізатор на комп'ютері, який містив збільшену кількість таких активних центрів. Потім вони виготовили модельний каталізатор, використовуючи три різні синтетичні шляхи. У всіх трьох випадках каталізатор виявляв у три з половиною рази більшу каталітичну активність.
"Ця робота відкриває абсолютно новий шлях для розробки каталізатора: проектування матеріалів, заснованих на основних геометричних принципах, які є більш інформативними, ніж енергетичний розгляд", - говорить Федеріко Калле-Вальєхо. "Ще однією перевагою методу є те, що його можна наочно проілюструвати на одному з основні принципи хімії, координаційне число. Це значне полегшення для автоматизованої розробки каталізатора ".
"Маючи ці знання, можна було б розвивати наночастинки, які містять значно менше платини або навіть включають інші каталітично активні метали", - говорить професор Олександр С. Бандаренка, професор тренувальних курсів Мюнхенського технічного університету. "І в майбутньому ми також застосуємо наш метод до інших каталізаторів та процесів".
Дослідницька робота була підтримана за рахунок коштів Європейського Союзу в рамках Ініціативи «Паливні клітини та водень» (FCH), Нідерландської організації з наукових досліджень (NWO), Німецького дослідницького фонду (SFB 749, Ініціатива наносистем кластеру досконалості Мюнхена (NIM) та Рура досліджує розв’язання ( RESOLV)) та Енергетичного альянсу Гельмгольца.
публікація
Пошук оптимальних поверхневих ділянок на гетерогенних каталізаторах шляхом підрахунку найближчих сусідів, Федеріко Калле-Валлехо, Якуба Тимочка, Віктора Коліка, Куанга Хуй Ву, Маркуса Д. Поля, Каріни Моргенштерн, Девіда Лоффреди, Філіпа Соте, Вольфганга Шумана, Олександра С. Бандаренки. Science, 9 жовтня 2015 р .; DOI: 10.1126/science.aab3501
Професор доктор Олександр Сергійович Бандаренка
Технічний університет Мюнхена
Фізика перетворення та накопичення енергії
James-Franck-Str. 1, 85748 Гархінг, Німеччина
Тел .: +49 89289 12531 - Електронна пошта - Інтернет