I catalizzatori sono il risultato di chimici che cercano di svelare la bellezza delle molecole e il mistero delle reazioni chimiche. Professor Jeong Young Park, la cui ricerca si concentra sulle reazioni chimiche catalitiche, non fa eccezione. Il suo team di ricerca ha recentemente compiuto progressi nell'affrontare questioni annose per comprendere i meccanismi di reazione sui catalizzatori bimetallici.

Durante gli studi riportati in Progressi scientifici , dopo la pubblicazione in Comunicazioni sulla natura questo mese, Il team di ricerca del professor Park ha identificato che la formazione di interfacce metallo-ossido è il fattore chiave responsabile dell'effetto catalitico sinergico nei catalizzatori bimetallici. Il team ha confermato questo fondamentale meccanismo di reazione attraverso l'imaging in situ delle condizioni di reazione. Questa è la prima visualizzazione di superfici bimetalliche in condizioni di reazione, significare il ruolo delle interfacce metallo-ossido nella catalisi eterogenea.

I materiali bimetallici hanno prestazioni catalitiche eccezionali, che apre una nuova via per il controllo delle strutture elettroniche e dell'energia di legame nei catalizzatori. Nonostante la considerevole ricerca su varie efficienze di reazione catalitica, ci sono ancora domande senza risposta sui principi alla base del miglioramento delle prestazioni. Ancora di più, è stato molto difficile capire cosa ha portato all'efficienza perché la struttura, Composizione chimica, e lo stato di ossidazione dei materiali bimetallici cambiano in base alle condizioni di reazione.

Recentemente, gruppi di ricerca hanno suggerito che i siti interfacciali ossido-metallo formati dalla segregazione superficiale di nanoparticelle bimetalliche potrebbero essere responsabili dell'aumento delle prestazioni catalitiche. Però, non sono riusciti a presentare alcuna prova definitiva che illustri la natura fisica o il ruolo fondamentale delle interfacce ossido-metallo che portano al miglioramento delle prestazioni.

Per affrontare specificamente questa sfida, il team di ricerca ha effettuato osservazioni in situ della modulazione strutturale su catalizzatori bimetallici platino-nichel in condizioni di ossidazione del monossido di carbonio con microscopia a effetto tunnel a scansione a pressione ambiente e spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente.

Il team ha osservato che i catalizzatori bimetallici platino-nichel mostravano una varietà di strutture diverse a seconda delle condizioni del gas. In condizioni di vuoto ultraelevato, la superficie mostrava uno strato di pelle di platino sulla superficie in lega di platino-nichel, segregazione selettiva del nichel seguita dalla formazione di cluster di ossido di nichel utilizzando gas ossigeno, e infine la coesistenza di cluster di ossido di nichel sulla pelle di platino durante l'ossidazione del monossido di carbonio. Il team di ricerca ha scoperto che la formazione di nanostrutture interfacciali di ossido di platino-nichel è responsabile di un passaggio altamente efficiente nella reazione di ossidazione del monossido di carbonio.

Questi risultati illustrano che il miglioramento dell'attività catalitica sulla superficie del catalizzatore bimetallico ha origine dai percorsi di reazione termodinamicamente efficienti all'interfaccia metallo-ossido di metallo, che dimostra un processo semplice per il forte effetto di interazione metallo-supporto. La formazione di queste nanostrutture interfacciali metallo-ossido di metallo aumenta l'attività catalitica fornendo un percorso di reazione termodinamicamente efficiente abbassando il calore delle reazioni sulla superficie.

Il professor Park ha affermato che un modo per monitorare i catalizzatori è rilevare gli elettroni caldi associati alla dissipazione dell'energia e ai processi di conversione durante le reazioni di superficie. Il suo team ha guidato il rilevamento in tempo reale di elettroni caldi generati su nanoparticelle bimetalliche di PtCo durante l'ossidazione esotermica dell'idrogeno. Il team ha chiarito con successo l'origine dell'attività catalitica sinergica delle nanoparticelle di PtCo con i corrispondenti valori di chemicorrente.

Stimando la resa chimica, il team di ricerca conclude che le proprietà catalitiche delle nanoparticelle bimetalliche sono fortemente governate dall'interfaccia ossido-metallo, che facilita il trasferimento di elettroni caldi.

Il professor Park ha spiegato, "Riteniamo che la misurazione precisa degli elettroni caldi sui catalizzatori fornisca informazioni sul meccanismo della catalisi eterogenea, che può aiutare con la progettazione intelligente di materiali altamente reattivi. Il controllo dell'attività catalitica tramite l'ingegneria elettronica dei catalizzatori è una prospettiva promettente che potrebbe aprire le porte al nuovo campo della combinazione della catalisi con l'elettronica, chiamato 'catalitronica'". Ha aggiunto che lo studio stabilisce anche una strategia per migliorare l'attività catalitica per le reazioni catalitiche nei reattori chimici industriali.