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Bestimmung katalytisch aktiver Stellen unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Ein neues Verfahren zur Bestimmung der Ursache der katalytischen Aktivität

cintersimone; pixabay.com; CC0

12.10.2018: Die katalytische Forschung unter der Leitung des Forschers der University of Oklahoma, Steven Crossley, hat einen neuen und eindeutigeren Weg entwickelt, um die aktive Stelle in einem komplexen Katalysator zu bestimmen.

Katalysatoren, die aus Metallpartikeln bestehen, die auf reduzierbaren Oxiden basieren, zeigen vielversprechende Ergebnisse für eine Vielzahl aktueller und aufkommender industrieller Reaktionen, wie beispielsweise die Herstellung von erneuerbaren Kraftstoffen und Chemikalien. Obwohl die positiven Ergebnisse der neuen Materialien offensichtlich sind, kann die Identifizierung der Ursache für die Aktivität des Katalysators eine Herausforderung darstellen. Katalysatoren werden oft durch Trial-and-Error entdeckt und optimiert, was es schwierig macht, die zahlreichen Möglichkeiten zu entkoppeln. Dies kann zu Entscheidungen auf der Grundlage spekulativer oder indirekter Beweise führen.

"Wenn man das Metall auf den aktiven Träger legt, ist die katalytische Aktivität und Selektivität viel besser, als man erwarten würde, als wenn man die Leistung des Metalls mit dem Träger allein kombinieren würde", erklärten Crossley, ein Chemieingenieur, Teigen-Presidential Professor und Sam A. Wilson Professor innerhalb des Gallogly College of Engineering. "Die Herausforderung besteht darin, dass es schwierig ist, die Ursache für die vielversprechende Leistung zu verstehen, wenn man die beiden Komponenten zusammenfügt." Das Verständnis der Art der katalytisch aktiven Stelle ist entscheidend für die Kontrolle der Aktivität und Selektivität eines Katalysators.

Crossleys neuartiges Verfahren zur Trennung aktiver Stellen unter Beibehaltung der Fähigkeit des Metalls, potenzielle aktive Stellen auf dem Träger zu bilden, verwendet vertikal gewachsene Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die als "Wasserstoff-Autobahnen" fungieren. Um festzustellen, ob die katalytische Aktivität entweder durch direkten Kontakt zwischen dem Träger und dem Metall oder durch metallbedingte Promotoreffekte auf dem Oxidträger verursacht wurde, trennte das Team von Crossley das Metall-Palladium vom Oxidkatalysator Titan um einen kontrollierten Abstand auf einer leitfähigen Brücke aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Forscher führten Wasserstoff in das System ein und verifizierten, dass Wasserstoff entlang der Nanoröhrchen wandern konnte, um neue potenziell aktive Stellen auf dem Oxidträger zu schaffen. Sie testeten dann die katalytische Aktivität dieser Materialien und kontrastierten sie mit der Aktivität der gleichen Materialien, wenn das Metall und der Träger in direktem Körperkontakt standen.

"In drei Experimenten konnten wir verschiedene Szenarien ausschließen und beweisen, dass es notwendig ist, physischen Kontakt zwischen Palladium und Titan zu haben, um Methylfuran unter diesen Bedingungen herzustellen", sagte Crossley.

Die Wasserstoffautobahnen mit Kohlenstoff-Nanoröhren können mit einer Vielzahl von verschiedenen bifunktionellen Katalysatoren verwendet werden.

"Mit dieser einfachen und einfachen Methode können wir besser verstehen, wie diese komplexen Materialien funktionieren, und diese Informationen nutzen, um bessere Katalysatoren herzustellen", sagte Crossley.

Originalveröffentlichung:
Nicholas M. Briggs, Lawrence Barrett, Evan C. Wegener, Leidy V. Herrera, Laura A. Gomez, Jeffrey T. Miller & Steven P. Crossley; "Identification of active sites on supported metal catalysts with carbon nanotube hydrogen highways"; Nature Comm.; 2018

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