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提出用于催化的新型纳米结构双金属复合材料的挑战

称为多相催化剂的固体基质催化剂是最广泛的工业应用之一,用于减少燃烧室废气流中的有毒气体、未燃烧的燃料和颗粒物。它们还用于能源、化学和制药行业,即生物柴油的生产、聚合物、生物质/废物转化为有价值的产品,以及许多其他过程。这一切都归功于它们的活性部位和高表面。然而,它们的高效率受到贵金属天文价格的限制,因此,具有可比效率的具有成本效益的替代品似乎是该行业的圣杯。波兰科学院物理化学研究所的科学家最近发表了一篇论文,由博士领导。英文 伊莎贝拉 S.

C类催化

催化剂无处不在,对化学过程有着巨大的影响。它们甚至在自然界中也围绕着我们;例如,细胞需要天然催化剂,如多种生化过程的酶。固体催化剂追求技术过程的能源转换领域也是如此。根据内燃机,铂等贵金属被放置在流出燃烧室的烟道气中。一旦有毒气体接触催化剂表面,它们就会分解,产生最终产物 CO 2和 H 2 O。秘密在于活性位点到影响中间体反应吸附能和过渡态活化的材料上。键断裂的最终机制导致特定分子的形成。它使贵金属成为工业应用中的摇滚明星。

近几十年来,催化剂的应用大幅增长,燃料、药物和化合物生产所需的贵金属成本高企已达到临界点。因此,高效的经济催化成为许多工业技术未来发展的主要挑战之一。可以肯定的是,几乎不可能提供一种材料来满足所有工业要求。我们肯定可以改进很多催化剂通过对给定过程的活性表面进行化学改性来提高活性甚至耐久性,而让我们从头开始——催化剂尺寸。纳米材料提供了高表面积体积比,从而增加了它们的活性。在贵金属的情况下,保持纳米尺寸使这些材料具有高活性,提供强大的反应物结合和催化剂选择性。

新催化剂即将出现

最近,由博士领导的物理化学研究所的科学家们。Izabela S. Pieta 描述了固定在半导体表面上的纳米结构双金属催化剂在热催化、光催化和电催化方面的潜在应用。据报道,这些系统在燃料电池专用工艺中取得了非凡的成果,即甲醇和乙醇电氧化(ISPieta 等人。应用催化 B:环境,2019 年,244)、可持续绿色化学品和燃料生产(ISPieta 等人. Applied Catalysis B: Environmental , 2019, 244, and ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 2020, 8(18),甚至二氧化碳减少到气体和液体燃料(ISPieta 等人。先进材料接口,2021 年,2001822)。让我们仔细看看它们。

在双金属纳米结构中,两种金属(例如 Pt-Au)连接在一起,其中主要金属作为主体,而第二种金属是客体。换句话说,它是一种合金,而在纳米尺度上,粒子中特定原子的分布具有巨大的意义。

有趣的是,与单金属结构相比,双金属结构具有更高的催化活性。它们的连接可能不同于两种不同金属的混合物,其中第二种金属非常规则地分布在第一种金属的基体中或核壳结构中,其中第一种金属被第二种金属覆盖。另一种选择是具有两个化学性质不同的一半(称为 Janus 纳米粒子)或连接两个化学性质不同的纳米粒子的纳米结构。不幸的是,由于原子重组,两种不同金属的这些组合可以在如此小的规模上发生不断的变化。

双金属结构中的组成和原子排列决定了它们的催化性能。由于纳米材料的高表面活性,它们很容易团聚或改变表面结构,从而降低其催化效率。此外,它们的表面很容易被化学反应的半产物毒化,因此很难预测影响材料活性的双金属表面发生的变化。

那么为什么不从头开始创建一个稳定这些纳米结构的平台呢?一旦沉降,纳米粒子将不太容易受到表面变化的影响。研究人员提议将双金属纳米粒子稳定在碳或氮化碳等导电材料上。然后,它的表面用基于石墨氮化碳 (g-C3N4) 的聚合物材料进行改性,该材料由三嗪分子的亚单元合并成平面三角形,看起来像石墨烯片。在几种光谱技术中研究了双金属系统的表面。

“与目前可用的商业催化剂相比,双金属纳米催化剂的开发和优化可能会提供一类具有卓越、可调性能、热稳定性和降低成本的新型材料。我们预计这要归功于载体材料(即石墨碳)的独特性能氮化物,这些催化剂可以在-热/-电/和-光催化中找到潜在的应用。然而,在此之前,人们需要了解如何设计高效的双金属系统,该系统在操作条件下如何工作,以及为什么形状-结构-活动关系很重要,”Izabela S.Pieta 声称。

g-C3N4 具有丰富的杂原子结构,显示出催化性能。由于存在多个官能团,它可以很容易地承载在其表面双金属系统,如贵重 Pt-Au Pt-Pd 或基于过渡金属的 Cu-Ni 纳米颗粒。它被认为是稳定双金属纳米粒子并抑制其化学中毒的有前途的支撑材料。此外,它为太阳能收集和转化为有价值的产品或另一种能源形式提供了巨大的机会。

“在大自然的启发下,人类了解到阳光是地球上最强大的能源之一。将光有效转化为可用能量形式的主要原因是效率低下的电荷分离和较差的光收集催化剂建筑学。用于预期光触发过程的广谱收割和有利能级对准的先决条件应与快速电荷分离和收集相结合,用光生电电荷重组竞争。通过正确选择,上述问题可能会克服光活性成分和光反应器的合适工程。结合材料特性和微流体技术是一个完美的解决方案,它集成了多个组件,并为动态液-液、固-液或气-固-液界面的连续催化过程提供了一个简单的解决方案,”第一作者 Ewelina Kuna 博士声称.

固定可防止表面变化和纳米颗粒团聚,并能够在大表面上进行可扩展的应用。

备注博士。Izabela Pieta,“众所周知,双金属催化系统可以提供更高的催化活性,并且它们可以在许多过程中达到非常高的效率。我们仍然专注于更复杂的系统,其中催化剂的组成和结构排列可能会导致更高的活性,但更高对目标产物的选择性和提高催化剂对中毒、耐久性和寿命的稳定性。我们的研究涵盖了对非隔离条件下催化表面和反应机理发展的基本理解。这些知识肯定会导致创新的催化剂设计,无论是在分子尺度上(活性位点结构设计)和应用规模(工业反应器规模)通过定制多个催化活性位点及其在工作表面上的分布。”

嵌入 g-C3N4 改性碳表面的双金属纳米粒子似乎是催化领域的通用平台,为需要新型纳米结构解决方案的过程带来了光明。由于这些研究侧重于双金属系统中的形状和构效关系及其在可扩展和经济基质上的固定,我们离设计用于工业的新型和可持续催化剂又近了一步。

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