Badanie przeprowadzone na TU Wien wykazało, że nanocząstki srebra na węglu są 200 razy skuteczniejsze niż ich czyste odpowiedniki ze względu na interakcję na granicy faz węgla.
Ten przełom może przekształcić katalizę przemysłową poprzez zmniejszenie wymaganej ilości metali szlachetnych, obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności.
Katalizatory i ich baza węglowa
Metale szlachetne, takie jak srebro, platyna i pallad, są niezbędnymi katalizatorami w przemyśle chemicznym. Umożliwiają reakcje, które w innym przypadku mogłyby nie wystąpić lub zachodziłyby znacznie wolniej. Metale te są często stosowane w postaci drobnych nanocząstek, ale ich skuteczność zależy również od powierzchni, na której są umieszczone. Nanocząstki na bazie węgla wykazały szczególnie wysoką wydajność, chociaż przyczyna tego była niejasna przez wiele lat.
Naukowcom z TU Wien udało się niedawno precyzyjnie zmierzyć i wyjaśnić interakcję między nanocząsteczkami metalu a podłożem węglowym. Odkryli, że atomy srebra na nośniku węglowym są dwieście razy bardziej aktywne niż atomy srebra w czystej postaci. Symulacje komputerowe wykazały, że czynnikiem krytycznym jest strefa, w której srebro ma bezpośredni kontakt z węglem. Wykorzystując wymianę izotopów wodoru, zespół opracował szybszą i prostszą metodę oceny skuteczności nośników katalizatorów.
Odkrywanie magii węgla w katalizie
„Przez długi czas zastosowanie węgla jako materiału nośnikowego w katalizie miało w sobie coś niemal magicznego” – mówi prof. Günther Rupprechter z Instytutu Chemii Materiałów TU Wien. Istotne okazało się źródło węgla. Do niektórych procesów wykorzystuje się węgiel uzyskany z łupin orzecha kokosowego, włókien lub specjalnego drewna. Takie „przepisy” można znaleźć nawet w dokumentach patentowych – choć pochodzenie substancji chemicznych w zasadzie powinno być stosunkowo nieistotne. „Zawsze wydawało mi się to trochę czarną sztuką” – mówi Günther Rupprechter.
Pomysł polegał na tym, że różne metody produkcji mogą prowadzić do minimalnych różnic chemicznych lub fizycznych: być może węgiel układa się na różne sposoby w zależności od metody produkcji. Może zawiera ślady innych pierwiastków chemicznych? A może na powierzchni gromadzą się grupy funkcyjne – małe molekularne elementy budulcowe, które biorą udział w reakcji chemicznej?
„W przemyśle chemicznym ludzie często są zadowoleni z faktu, że proces działa i można go niezawodnie powtórzyć” – mówi Rupprechter. „Chcieliśmy jednak dotrzeć do źródła tego efektu i dokładnie zrozumieć, co tak naprawdę dzieje się tutaj, na poziomie atomowym”. Zaangażowano także Uniwersytet w Kadyksie (Hiszpania) i Centrum Mikroskopii Elektronowej USTEM na TU Wien.
Postępy mikroreaktorów w badaniach katalitycznych
Zespół najpierw wyprodukował próbki, które można było niezwykle precyzyjnie scharakteryzować: nanocząsteczki srebra o znanej wielkości na podłożu węglowym oraz cienka folia srebrna bez węgla.
Obie próbki zbadano następnie w reaktorze chemicznym: „Srebra można wykorzystać do rozbicia cząsteczek wodoru na pojedyncze atomy wodoru” – wyjaśnia Thomas Wicht, pierwszy autor badania. „Ten wodór można następnie wykorzystać na przykład do reakcji uwodornienia etenu. W analogiczny sposób można także mieszać „zwykłe” cząsteczki wodoru z cząsteczkami zbudowanymi z ciężkiego wodoru (deuteru). Obie cząsteczki są następnie dysocjowane przez srebro i ponownie łączone.” Im bardziej aktywny jest katalizator, tym częściej dochodzi do wymiany dwóch izotopów wodoru. Dostarcza to bardzo wiarygodnych informacji na temat aktywności katalizatora.
Nowe spojrzenie na wydajność katalizatora
Oznaczało to, że po raz pierwszy można było precyzyjnie określić różnicę w aktywności pomiędzy atomami srebra z nośnikiem węglowym i bez niego – ze spektakularnymi wynikami: „Dla każdego srebra[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>atom, the carbon background induces a two hundred times higher activity,” says Thomas Wicht. “This is of course very important for industrial applications. You only need a two-hundredth of the amount of expensive precious metals to achieve the same activity – and you can do that simply by adding comparatively inexpensive carbon.”
Alexander Genest from the TU Wien team carried out computer simulations comparing the activation of hydrogen by silver nanoparticles on carbon and pure silver. This made it clear: the boundary region between silver particles and carbon carrier is crucial. The catalyst effect is greatest exactly where the two come into contact. “So it’s not the size of the carbon surface or any foreign atoms or functional groups. An extreme catalytic effect occurs when a reactant molecule comes into contact with both a carbon and a silver atom directly at the interface,” says Alexander Genest. The larger this area of direct contact, the greater the activity.
This knowledge means that different carbon batches from different sources can now be checked quite easily for their effectiveness. “Now that we have understood the mechanism of action, we know exactly what to pay attention to,” says Günther Rupprechter. “Our experiment, in which we expose the catalysts to a mixture of ordinary and heavy hydrogen, is relatively easy to carry out and provides very reliable information as to whether this variant of the carbon carrier is also suitable for other chemical reactions or not.” Being able to explain processes at the atomic level should now save time and money in industrial use and simplify quality assurance.
Reference: “Role of Interfacial Hydrogen in Ethylene Hydrogenation on Graphite-Supported Ag, Au, and Cu Catalysts” by Thomas Wicht, Alexander Genest, Lidia E. Chinchilla, Thomas Haunold, Andreas Steiger-Thirsfeld, Michael Stöger-Pollach, José J. Calvino and Günther Rupprechter, 1 November 2024, ACS Catalysis.
DOI: 10.1021/acscatal.4c05246
Research supported by the Austrian Science Fund (FWF; [10.55776/I4434-N and 10.55776/COE5] (Kataliza pojedynczego atomu i klaster doskonałych materiałów do konwersji i magazynowania energii, MECS).
