Gyorsabb fejlődés - jobb katalizátorok - TUM
Gyorsabb fejlődés - jobb katalizátorok
Az autó kipufogógázainak tisztítása az egyik legismertebb katalitikus folyamat. De szinte az egész vegyipar katalitikus reakciókon alapszik. A katalizátor tervezés ezért kulcsszerepet játszik számos folyamat javításában. Egy nemzetközi tudóscsoport bemutatott egy olyan koncepciót, amely elegánsan kapcsolja össze a geometriai és az adszorpciós tulajdonságokat. Bemutatták módszerük hatékonyságát egy újonnan kifejlesztett platina-katalizátor példájával az üzemanyagcellák számára.
A hidrogén ideális energiahordozó lenne: A szélenergia feleslege feloszthatja a vizet az elemeire, és a hidrogént nagy hatékonysággal lehet üzemanyagcellás elektromos autókra hajtani. Az egyetlen kipufogógáz a víz lenne, a tartomány a szokásos lenne. De az üzemanyagcellás járművek még mindig ritkaságok. A platina (Pt) rendkívül drága, és a globális gyártás nem lenne elegendő az összes autó felszereléséhez.
Az üzemanyagcella egyik kulcsfontosságú eleme a platina katalizátor, amelynek felületén az oxigén redukálódik. Az biztos, hogy nem a teljes platinafelület katalitikusan aktív, hanem csak néhány különösen kitett terület, úgynevezett aktív központ.
A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM), a Ruhr Bochumi Egyetem, a Lyoni École normal supérieure (ENS), a National Reherche Scientifique (CNRS) és a Claude Egyetem tudósainak csoportja azon dolgozik, hogy kiderüljön, mi minősül aktív központnak. Bernard Lyon 1 (Franciaország) és a Leideni Egyetem (Hollandia).
Tanulmány a modellen
A katalizátorok kifejlesztésének és a katalizátoron zajló folyamatok modellezésének általános módszere a kémiai folyamatok számítógéppel segített szimulációja. A kiszámítandó atomok számának növekedésével azonban a kvantumkémiai számítások gyorsan rendkívül összetetté válnak.
A kutatók most egy új megközelítést mutatnak be egy olyan módszerrel, amelyet „Koordinációs tevékenységi terveknek” neveztek el. A megfontolt pozíció adszorpciós tulajdonságait közvetlen kapcsolatba hozza a szerkezettel. Ennek alapja az „általános koordinációs szám” (GCN). Megszámolja az atom közvetlen szomszédait és szomszédainak koordinációs számait (GCN).
Az új módszer szerint számítva egy tipikus Pt (111) felület GCN értéke 7,5. Az optimális katalizátornak viszont el kell érnie a 8,3 értéket. Az ehhez szükséges nagyobb szomszédok száma például úgy érhető el, hogy a hibákat kifejezetten beépítik a platina felületébe.
Sikeres gyakorlati teszt
Módszerük pontosságának igazolása érdekében a kutatók platina katalizátort terveztek a számítógépen, amely egyre több ilyen aktív központot tartalmazott. Ezután három különböző szintetikus úton állították elő a katalizátort. Mindhárom esetben a katalizátor három és félszer nagyobb katalitikus aktivitást mutatott.
"Ez a munka egy teljesen új utat nyit meg a katalizátor fejlesztésében: az geometriai alapelveken alapuló anyagok megtervezése, amelyek informatívabbak, mint az energetikai szempontok" - mondja Federico Calle-Vallejo. "A módszer további előnye, hogy világosan szemléltethető az egyik a kémia alapelvei, a koordinációs szám. Ez jelentős megkönnyebbülést jelent a számítógéppel segített katalizátor fejlesztés szempontjából. "
"Ennek ismeretében olyan nanorészecskéket lehetne kifejleszteni, amelyek lényegesen kevesebb platinát tartalmaznak, vagy más katalitikusan aktív fémeket is tartalmaznak" - mondja Aliaksandr S. Bandarenka professzor, a müncheni műszaki egyetem tenure track professzora. "És a jövőben módszerünket más katalizátorokra és folyamatokra is alkalmazni fogjuk."
A kutatási munkát az Európai Unió pénzeszközeivel támogatták a Fuel Cells and Hydrogen (FCH) Kezdeményezés, a Holland Tudományos Kutatási Szervezet (NWO), a Német Kutatási Alapítvány (SFB 749, Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM) és a Ruhr Explores Solvation ( RESOLV)) és a Helmholtz Energiaszövetség.
kiadvány
Optimális felszíni helyek keresése heterogén katalizátorokon a legközelebbi szomszédok, Federico Calle-Vallejo, Jakub Tymoczko, Viktor Colic, Quang Huy Vu, Marcus D. Pohl, Karina Morgenstern, David Loffreda, Philippe Sautet, Wolfgang Schuhmann, Aliaksandr S. Bandarenka megszámlálásával. Tudomány, 2015. október 9 .; DOI: 10.1126/science.aab3501
Prof. Dr. Aliaksandr S. Bandarenka
Müncheni Műszaki Egyetem
Az energia-átalakítás és -tárolás fizikája
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Németország
Tel .: +49 89 289 12531 - E-mail - Web