Wissenschaftler der Abteilung für Schnittstellenwissenschaft des Fritz Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Beamline-Wissenschaftlern am Helmholtz-Zentrum Berlin haben im Bereich der Elektrokatalyse einen Fortschritt gemacht. Ihre neuesten Forschungen, die im TH Journal veröffentlicht wurden NaturmaterialienSchuppen beleuchten, wie Katalysatoren während des Prozesses der Nitratreduzierung in unerwarteten Formen bleiben können. Die Studie mit dem Titel „Aufschlussreiche Katalysator -Umstrukturierung und Zusammensetzung während der Nitrat -Elektrorierung durch korrelierte Operando -Mikroskopie und Spektroskopie“ bietet neue Erkenntnisse, die den Weg für eine effizientere Katalysatordesign ebnen könnten.
Katalysatoren verstehen: Der Schlüssel zu besseren chemischen Reaktionen
Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei konsumiert zu werden. Sie sind in vielen industriellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, von der Herstellung von Kraftstoffen bis hin zur Herstellung von Arzneimitteln. Es war jedoch immer eine Herausforderung, zu verstehen, wie sich diese Katalysatoren während ihrer Arbeit verhalten. Dies liegt daran, dass Katalysatoren ihre Struktur (Größe und Form) und die Zusammensetzung verändern können, wenn ein elektrisches Potential angewendet wird, ähnlich wie ein Chamäleon seine Farbe in verschiedene Umgebungen einmischt. Eine langjährige Annahme ist, dass sich der Katalysator auch wie das Chamäleon schnell in seinen bevorzugten Zustand (aktiven Zustand) verwandeln wird, sobald das elektrische Potential angewendet wird.
Ein multimodaler Ansatz zur Untersuchung von Katalysatoren
Das Forschungsteam verwendete eine einzigartige Kombination fortschrittlicher Techniken, um zu zeigen, dass diese Annahme unter bestimmten Bedingungen nicht gültig ist. Zunächst verwendeten sie eine Methode, die als elektrochemische Flüssigzelltransmissionselektronenmikroskopie (EC-TEM) bezeichnet wird, um Cubic Cu zu folgen2O Vorkatalysatoren unter Bedingungen, bei denen sie an der Nitratreduktionsreaktion teilnahmen, die hier zur Erzeugung von grünem Ammoniak verwendet wird. Diese Technik ermöglichte sie zu sehen, wie die Katalysatoren, insbesondere kubische Cu2O Vorkatalysatoren, veränderte sich während der Reaktion. Anschließend verwendeten sie eine Kombination aus Röntgenmikroskopie/Spektroskopie und Raman-Spektroskopie, um zu überprüfen, ob sich die Präkatalysatoren während der Reaktion in die erwartete Cu-Metallphase verwandeln und ob eine solche Transformation über alle Nanokatalysatorpartikel homogen war.
Schlüsselergebnisse: Die Rolle der Redoxkinetik
Ein signifikanter Befund der Studie ist, dass die Cu2O Würfel verwandeln sich nicht schnell in den bevorzugten metallischen Zustand und können während des Betriebs als Mischung aus Cu -Metall, Cu -Oxid und Cu -Hydroxid für einen längeren Zeitpunkt bleiben. Die Zusammensetzung dieser Mischung und die Form der entwickelten Katalysatoren hängen stark vom angelegten elektrischen Potential, der umgebenden chemischen Umgebung und der Reaktionsdauer ab.
Implikationen für die Ammoniakselektivität
Eine große Motivation für die Untersuchung der Nitratreduktion besteht darin, das Potenzial für Recycling von Abfallnitraten zu untersuchen, indem sie wieder in Ammoniak umgewandelt werden, eine wichtige Zutat bei Düngemitteln für die Lebensmittelproduktion. Bisher beruhten unsere Strategien zur Optimierung dieses Prozesses darauf, dass die Katalysatoren erwartet, dass sie während der Reaktion ihre günstigsten Formen annehmen sollen. Diese Forschung wird den Weg zu neuen Wegen zur Gestaltung der CU-basierten Vorkatalysatoren ebnen, die besser Ammoniak produzieren können.
Dr. Siehe Wee Chee, ein Gruppenleiter in der Abteilung für Schnittstellenwissenschaft und entsprechender Autor der Studie betont: „Es ist unerwartet, dass wir während der Reaktion unterschiedliche Phasen erhalten, insbesondere wenn wir von einer einzelnen Form eines einzelnen Elements vor der Katalysator beginnen. Mehr. Mehr Wichtig ist, dass dieser gemischte Zustand für lange Zeit aufrechterhalten werden kann, was wertvolle Erkenntnisse ist, wenn wir effizientere Katalysatoren entwerfen möchten. „
Diese Forschung zeigt auch, wie fortgeschrittene Echtzeitbeobachtungstechniken, die lokale chemische Unterschiede erfassen können, helfen können, die Komplexität von Katalysatoren bei der Arbeit zu verstehen.
Prof. Beatriz Roldán, Direktor der Abteilung für Schnittstellenwissenschaft bei der FHI und dem Mitkristanlagen des Autors, erklärte: „Industrial, NH3 wird über das Gasphasen-Haber-Bosch-Thermiskatalyse-Methode synthetisiert, das bei moderaten Temperaturen (450-550 ° C) stattfindet, aber hohe Drücke (150 bar) mit einem großen Verbrauch von fossiliengeneriertem H2. Die Herausforderung, die wir hier angenommen haben, bestand darin, eine alternative Methode für NH zu finden3 Synthese mit verringerten Kohlenstoffemissionen. Dies wurde erreicht, indem eine direkte elektrokatalytische Route befolgt wird, die durch erneuerbaren Strom angetrieben wird. „
