La solución de un debate de décadas, la nueva investigación demuestra de manera concluyente que una jerarquía de especies activas existe en oro en la catálisis de óxido de hierro diseñada para la oxidación de monóxido de carbono a baja temperatura; Las nanopartículas, clusters subnanométricas y átomos dispersos- así como también se prepara el material, son todos importantes para determinar la actividad catalítica.
Christopher J. Kiely señala que un descubrimiento del 1982 por el Prof. Masatake Haruta que el oro (Au) poseía un alto nivel de actividad catalítica para la oxidación de monóxido de carbono (CO) cuando se deposita sobre un metal-óxido "un notable giro de los acontecimientos en la nanotecnología" -destacados porque el oro siempre se había asumido al ser inerte para la catálisis.
Haruta mostró que el oro dispersado sobre el óxido de hierro cataliza eficazmente la conversión de monóxido de carbono perjudicial en dióxido de carbono más benigno (CO2) a temperaturas-una sala de reacción que es crítica para la construcción de máscaras de respiración de bombero y para la eliminación de CO a partir de cargas de hidrógeno para células de combustible.
De hecho, los catalizadores de oro hoy en día están siendo explotados de una manera importante para la transformación ecológica de muchas reacciones importantes en la industria química, debido a que pueden dar lugar a reacciones más limpias y más eficientes con menos subproductos.
Haruta y Graham J. Hutchings, que co-descubrió el uso del oro como catalizador de reacciones diferentes, se observan como Thompson Reuters cita Nobel y aparecen cada año en la lista de predicción del Premio Nobel ScienceWatch. Su trabajo pionero abrió una nueva área de investigación científica y dio inicio a un debate de décadas acerca de qué tipo de especies de oro soportados son los más eficaces para la reacción de oxidación de CO.
En 2008, el uso de la tecnología de microscopía electrónica que aún no estaba disponible en la década de 1980 y 90, Hutchings, director del Instituto de Catálisis la Universidad de Cardiff Cardiff trabajó con Kiely, Harold B. Cámaras Profesor Titular Ciencia de los Materiales e Ingeniería en Lehigh, examinó la estructura de oro soportado en la nanoescala. Un nanómetro (nm) es igual a una mil millonésima parte de un metro o sobre el diámetro de cinco átomos.
El uso de lo que entonces era una rara pieza de aberración corregida JEOL 2200 microscopio electrónico de transmisión de barrido FS (STEM), el equipo identificó la co-existencia de tres especies de oro distintos de equipo de Lehigh: nanopartículas facetas más grande que un nanómetro de tamaño, subgrupos que contiene menos de 20 átomos y los átomos de oro individuales esparcidas sobre el soporte. Debido a que se habían detectado previamente sólo las nanopartículas de oro más grandes, esto creó un debate sobre cuál de estas especies fueron los responsables del buen comportamiento catalítico.
Haruta, profesor de la química aplicada en el Tokyo Metropolitan University, Hutchings y Kiely han estado trabajando en colaboración sobre este problema en los últimos años y ahora son los primeros en demostrar de manera concluyente que no son las partículas o los átomos individuales o los grupos que son los únicos responsables de la catálisis, pero que todos ellos contribuyen a diferentes grados. Sus resultados han sido publicados en un artículo publicado en Nature Communications titulado: "Población y jerarquía de las especies activas en catalizadores de óxido de hierro de oro para la oxidación de monóxido de carbono."
"Todas las especies tienden a coexistir en catalizadores preparados convencionalmente y mostrar un cierto nivel de actividad", dice Kiely. "Todos hacen algo, pero algo menos eficiente que otros."
Su investigación reveló los grupos sub-nanómetros y nanopartículas 1-3nm ser el más eficiente para catalizar esta reacción de oxidación de CO, mientras que las partículas más grandes fueron menos de modo y los átomos de incluso menos. Sin embargo, advierte Kiely, todas las especies presentes, deben ser considerados para explicar completamente la actividad medida global del catalizador.
Otras conclusiones importantes del equipo: la actividad medida de oro en los catalizadores de óxido de hierro depende exquisitamente sobre exactamente cómo se prepara el material. Muy pequeños cambios en los parámetros de síntesis influir en la proporción relativa y la distribución espacial de estas diversas especies de la UA sobre el material de soporte y por lo tanto tienen un gran impacto en su rendimiento catalítico en general.
Una oportunidad de oro
Sobre la base de su trabajo anterior (publicado en la Ciencia 2008 artículo ), el equipo trató de encontrar una manera robusta para analizar cuantitativamente las distribuciones de población relativa de las nanopartículas de diferentes tamaños, grupos sub-nm y átomos altamente dispersos en un oro determinado de óxido de hierro muestra. Al correlacionar esta información con las mediciones de rendimiento catalítico, que esperaban a continuación para determinar qué distribución de las especies sería óptimo para producir el catalizador más eficiente, a fin de utilizar el componente de oro preciosa en la forma más rentable.
En última instancia, se trataba de un problema de síntesis de catalizador del equipo se enfrentó, que les ofrecía una oportunidad de oro para hacer precisamente eso.
Durante la colaboración, Haruta de equipos y Hutchings 'cada una de oro preparado en muestras de óxido de hierro en sus laboratorios caseros en Tokio y Cardiff. A pesar de que ambos grupos nominalmente utilizan el mismo método de síntesis 'co-precipitación', resultó que una etapa de tratamiento térmico final fue beneficiosa para el rendimiento catalítico para un conjunto de materiales, pero en detrimento de la otra. Esta observación proporciona un fascinante enigma científico que detalla los estudios de microscopía electrónica realizadas por Qian He, uno de los estudiantes de doctorado de Kiely en ese momento, fue clave para resolver. Qian Ahora es un investigador de la Universidad de la Universidad de Cardiff que lleva su esfuerzo microscopía electrónica.
"Al final, no hubo diferencias sutiles en el orden y la velocidad en la que cada grupo añadió en sus ingredientes mientras se prepara el material", explica él. "Cuando se examina bajo el microscopio electrónico, era evidente que los dos métodos ligeramente diferentes producen bastante diferentes distribuciones de partículas, grupos y átomos dispersos sobre el soporte."
"Muy pequeñas variaciones en la ruta de preparación o de la historia térmica de la muestra pueden alterar el equilibrio relativo de las nanopartículas-a-racimos a los átomos de oro soportadas en el material y esto se manifiesta en la actividad catalítica medida", añade Kiely.
El grupo fue capaz de comparar este conjunto de materiales y correlacionar las distribuciones de especies de Au con las mediciones de rendimiento catalítico, en última instancia, la identificación de la distribución de las especies que se asoció con una mayor eficiencia catalítica.
Ahora que el equipo ha identificado la actividad catalítica jerarquía asociada con estas especies de oro soportados, el siguiente paso, dice Kiely, será el de modificar el método de síntesis de influir positivamente en que la distribución para optimizar el rendimiento del catalizador, mientras que hacer el uso más eficiente de la preciosa contenido de metal de oro.
"Como siguiente etapa de este estudio nos gustaría ser capaces de observar oro en óxido de hierro materiales in-situ dentro del microscopio electrónico, mientras que la reacción está pasando", dice Kiely.
Una vez más, se trata de microscopía instalaciones de última generación que puede ser la clave para el cumplimiento de la promesa de oro como un jugador clave en la tecnología verde.
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