I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno sviluppato un modo per aggiungere singoli nanofogli di ossido di metallo misto a nanoparticelle d'oro supportate su silice per migliorare la loro attività catalitica.
Convertendo il monossido di carbonio in biossido di carbonio, hanno scoperto che la temperatura richiesta per la reazione era notevolmente ridotta, con miglioramenti significativi rispetto ai metodi esistenti per rivestire strutture in oro/silice. Il metodo apre la strada allo sviluppo di un'ampia gamma di nuovi catalizzatori ad alte prestazioni. I risultati sono pubblicati sulla rivista ACS Applied Materials &Interfaces .
Le nanoparticelle d'oro, particelle di diametro inferiore a cinque nanometri, sono note per essere ottimi catalizzatori per reazioni chimiche, in particolare reazioni di ossidazione come la conversione del dannoso monossido di carbonio in anidride carbonica. L'effetto è pronunciato quando sono montati su ossidi metallici come l'ossido di cobalto, che hanno maggiori probabilità di subire la reazione opposta, ovvero ossidi riducibili.
Sfortunatamente, non tutti gli ossidi metallici sono riducibili. Le nanoparticelle montate su ossidi irriducibili come la silice, ad esempio, non costituiscono un catalizzatore efficace. Data l'abbondanza di silice sul nostro pianeta, un modo per migliorare le prestazioni di tali materiali favorirebbe notevolmente la diffusione industriale.
Ciò ha portato gli scienziati a cercare modi per modificare i catalizzatori supportati per migliorarne le prestazioni.
Ora, un team guidato dal professore associato Tamao Ishida della Tokyo Metropolitan University ha ideato un metodo per depositare singoli nanofogli di ossidi metallici misti (MMO) utilizzando doppi idrossidi stratificati (LDH).
Gli LDH sono costituiti da nanofogli di idrossido metallico con alcuni ioni metallici sostituiti da ioni metallici con carica più elevata, conferendo al foglio stesso una carica netta positiva; i fogli sono legati insieme da ioni negativi. È importante sottolineare che i singoli nanofogli possono essere esfoliati e utilizzati separatamente.
In questo studio, il team ha rivestito nanoparticelle d’oro supportate su silice, una struttura carica negativamente, con nanofogli LDH caricati positivamente costituiti da alluminio e una serie di altri metalli, quindi le ha esposte ad alte temperature (calcinazione) per formare un nanostrato MMO.
Osservando il loro nuovo catalizzatore, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, hanno scoperto che le nanoparticelle erano rivestite da uno strato di spessore inferiore a un nanometro. Per testare le loro prestazioni, il team li ha utilizzati per convertire il monossido di carbonio in anidride carbonica.
Mentre le nanoparticelle d'oro sulla silice avevano un tasso di conversione solo del 20% circa anche a 300° Celsius, il loro nuovo catalizzatore ha mostrato un tasso di conversione del 50% a soli 50° Celsius, una riduzione di oltre 250° Celsius. È stato inoltre riscontrato che ha prestazioni migliori dei comuni metodi di "impregnazione" per il rivestimento MMO.
È interessante notare che si è scoperto che strati MMO più spessi portavano a prestazioni peggiori:le prestazioni elevate derivano dall'avere un rivestimento sub-nanometrico. Osservando uno strato MMO di alluminio-cobalto in modo più dettagliato, hanno trovato un'abbondanza di difetti di ossigeno nello strato; il team ha concluso che la stretta sinergia tra questo strato pieno di difetti e la superficie d'oro era ciò che ha dato origine all'attività potenziata.
Il nuovo catalizzatore ha ottenuto prestazioni eccezionali con livelli molto bassi di inclusione di cobalto, inferiori allo 0,3% in peso. I risultati aprono la strada all'applicazione a un'ampia gamma di altri materiali e a un'intera famiglia di nuovi catalizzatori ad alte prestazioni.
Ulteriori informazioni: Kaho Okayama et al, Decorazione di catalizzatori di nanoparticelle di oro e platino mediante uno strato di ossido di metallo spesso 1 nm e il suo effetto sull'attività di ossidazione della CO, Materiali e interfacce applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14935
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito dalla Tokyo Metropolitan University
