แต่เนื่องจากแพลตตินั่มหายากและมีราคาแพง นักวิทยาศาสตร์จึงหาวิธีที่จะสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โลหะมีค่าน้อยกว่านี้ การทำความเข้าใจว่าแพลตตินั่มทำอะไรเป็นขั้นตอนสำคัญ

การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในNature Communicationsระบุอะตอมที่เกี่ยวข้องกับไซต์ที่ใช้งานอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยแก้ไขรายงานที่ขัดแย้งกันก่อนหน้านี้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา การทดลองแสดงหลักฐานที่ชัดเจนว่ามีเพียงอะตอมของแพลตตินั่มบางตัวเท่านั้นที่มีบทบาทสำคัญในการแปลงสภาพทางเคมี

Yuanyuan Li นักวิทยาศาสตร์การวิจัยจากแผนกวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมเคมีของ SBU อธิบายว่า "ส่วนหนึ่งของความท้าทายคือตัวเร่งปฏิกิริยาเองมีโครงสร้างที่ซับซ้อน" ซึ่งได้รับการแต่งตั้งเป็นแขกรับเชิญในแผนกเคมีของ Brookhaven Lab และทำงานภายใต้การแนะนำของ Brookhaven /SBU ผู้ได้รับการแต่งตั้งร่วม Anatoly Frenkel

"ตัวเร่งปฏิกิริยาทำจากอนุภาคนาโนแพลตตินั่ม (กระจุกของอะตอมแพลตตินั่ม) นั่งอยู่บนพื้นผิวซีเรียมออกไซด์ (ซีเรีย) อะตอมของแพลตตินั่มบางส่วนอยู่บนผิวของอนุภาคนาโน บางส่วนอยู่ในแกนกลาง บางส่วนอยู่ที่ส่วนติดต่อกับซีเรียล และบางส่วนอยู่ที่ขอบด้านนอกของอินเทอร์เฟซนั้น" หลี่กล่าว "ตำแหน่งเหล่านั้นและวิธีที่คุณวางอนุภาคไว้บนพื้นผิวอาจส่งผลต่ออะตอมที่จะทำปฏิกิริยากับตัวรองรับหรือกับโมเลกุลของแก๊สเพราะบางส่วนถูกเปิดเผยและบางส่วนไม่ได้"

การทดลองก่อนหน้านี้ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกันว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นกับอนุภาคนาโนหรือที่อะตอมของแพลตตินัมเดี่ยวหรือไม่ และไซต์ที่ทำงานอยู่นั้นมีประจุบวกหรือลบหรือเป็นกลาง รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีที่ส่วนรองรับซีเรียลโต้ตอบกับแพลตตินัมเพื่อเปิดใช้งานสำหรับกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาก็ไม่ชัดเจนเช่นกัน

“เราต้องการตอบคำถามเหล่านี้” หลี่กล่าว "การระบุไซต์ที่ใช้งานอยู่และกำหนดสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในไซต์นี้ จะดีกว่าถ้าเราสามารถตรวจสอบตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้ในระดับอะตอม" เธอกล่าว

ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิทยาศาสตร์จากศูนย์วัสดุนาโนเพื่อการใช้งาน (CFN) ของ Brookhaven และสถาบันอื่นๆ ทั่วทั้งสหรัฐอเมริกาและในสวีเดน ใช้เทคนิคต่างๆ ในการทำเช่นนั้น พวกเขาศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะของปฏิกิริยา และจับผลกระทบที่แปลกประหลาดซึ่งเกิดขึ้นเมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาไปถึงสถานะแอคทีฟในสภาวะของปฏิกิริยาโดยไม่คาดคิด

"อะตอมของแพลตตินัมที่ปริมณฑลของอนุภาคกำลัง "เต้น" เข้าและออกจากโฟกัสในการทดลองด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ดำเนินการโดยผู้ทำงานร่วมกันของเรา ในขณะที่อะตอมที่เหลือมีความเสถียรมากกว่ามาก" Frenkel กล่าว พฤติกรรมไดนามิกดังกล่าวไม่ได้ถูกสังเกตเมื่อสารตั้งต้นบางตัว (CO หรือน้ำ) ถูกกำจัดออกจากกระแสของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา

"เราพบว่ามีเพียงอะตอมของแพลตตินัมที่ปริมณฑลของส่วนต่อประสานระหว่างอนุภาคนาโนและตัวรองรับซีเรียลเท่านั้นที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา" นายหลี่กล่าว "คุณสมบัติแบบไดนามิกที่ไซต์ปริมณฑลเหล่านี้ช่วยให้ CO สามารถรับออกซิเจนจากน้ำเพื่อให้สามารถกลายเป็น CO2 และน้ำ (H2O) สูญเสียออกซิเจนเพื่อกลายเป็นไฮโดรเจน"

เมื่อนักวิทยาศาสตร์รู้ว่าอะตอมของแพลตตินั่มชนิดใดที่มีบทบาทอย่างแข็งขันในตัวเร่งปฏิกิริยา พวกเขาอาจจะสามารถออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเพียงอะตอมของแพลตตินั่มที่ทำงานอยู่เท่านั้น

"เราอาจสันนิษฐานได้ว่าอะตอมของแพลตตินั่มพื้นผิวทั้งหมดกำลังทำงาน แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น" หลี่กล่าว “เราไม่ต้องการพวกมันทั้งหมด แค่ตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งนี้สามารถช่วยเราทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีราคาถูกลงโดยการกำจัดอะตอมที่ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา เราเชื่อว่ากลไกนี้สามารถนำไปใช้กับระบบและปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ได้ "เธอเสริม

รายละเอียดการทดลอง

"ภาพรวม" ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ CFN และที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติเปิดเผยลักษณะไดนามิกของอะตอมแพลตตินั่มปริมณฑล "ในบางภาพ พื้นที่ปริมณฑลอยู่ที่นั่น คุณสามารถดูได้ แต่ในบางภาพไม่มีอยู่ นี่เป็นหลักฐานว่าอะตอมเหล่านี้มีไดนามิกมาก มีความคล่องตัวสูง" หลี่กล่าว

การศึกษาสเปกโตรสโกปีอินฟราเรด (IR) ในแผนกเคมีของ Brookhaven เปิดเผยว่าการปรากฏตัวของไซต์ปริมณฑลใกล้เคียงกับ "ตำแหน่งงานว่างของออกซิเจน" ซึ่งเป็นข้อบกพร่องในพื้นผิวซีเรียมออกไซด์ การศึกษาเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นว่า CO มีแนวโน้มที่จะอพยพข้ามพื้นผิวอนุภาคนาโนแพลตตินั่มไปยังอะตอมปริมณฑล และกลุ่มไฮดรอกซี (OH) นั้นยังคงอยู่บนซีเรียลที่รองรับใกล้กับอะตอมแพลตตินั่มปริมณฑล

"ดูเหมือนว่าอะตอมของแพลตตินั่มปริมณฑลจะนำสารตั้งต้นทั้งสองคือ CO และ OH (จากโมเลกุลของน้ำ) มารวมกัน" หลี่กล่าว

การศึกษาสเปกโตรสโกปีของโฟโตอิเล็กตรอนด้วยเอกซเรย์ในวิชาเคมีเปิดเผยว่าอะตอมแพลตตินั่มปริมณฑลก็ถูกกระตุ้นเช่นกัน - เปลี่ยนจากสถานะที่ไม่ใช่โลหะเป็นสถานะโลหะที่สามารถจับอะตอมออกซิเจนจากกลุ่ม OH และส่งออกซิเจนนั้นไปยัง CO ได้ นี่แสดงให้เห็นว่าปริมณฑลที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้ ไซต์แพลตตินั่มสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาได้” หลี่กล่าว

ชุดการทดลองสุดท้าย - การศึกษาเอ็กซ์เรย์ดูดกลืนสเปกโตรสโกปีที่ดำเนินการที่ Advanced Photon Source (APS) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของ DOE แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิกของตัวเร่งปฏิกิริยา

"เราเห็นว่าโครงสร้างกำลังเปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะปฏิกิริยา" หลี่กล่าว

การศึกษาเหล่านั้นยังเผยให้เห็นถึงพันธะที่ยาวผิดปกติระหว่างอะตอมของแพลตตินัมกับออกซิเจนบนที่รองรับซีเรียล ซึ่งบ่งชี้ว่าสิ่งที่มองไม่เห็นจากรังสีเอกซ์นั้นกำลังครอบครองพื้นที่ระหว่างทั้งสอง

"เราคิดว่ามีไฮโดรเจนอะตอมอยู่บางส่วนระหว่างอนุภาคนาโนกับส่วนรองรับ รังสีเอกซ์ไม่สามารถมองเห็นอะตอมของแสงเช่นไฮโดรเจนได้ ภายใต้สภาวะของปฏิกิริยา ไฮโดรเจนในอะตอมเหล่านี้จะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อก่อตัวเป็น H2" เธอกล่าวเสริม

ลักษณะโครงสร้างและรายละเอียดว่าการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกเชื่อมโยงกับการเกิดปฏิกิริยาอย่างไร จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกลไกการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะนี้ และอาจออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยกิจกรรมที่ดีขึ้นด้วยต้นทุนที่ต่ำลง เทคนิคเดียวกันนี้ยังสามารถนำไปใช้กับการศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆสล็อตออนไลน์ 918kiss