Las nanoplacas estabilizan los átomos de metal para la estimulación.

En un estudio publicado en Nature, un equipo de investigación dirigido por el profesor ZENG Jie de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y colaboradores internacionales desarrollaron una nueva estrategia de «nanopegamento» para estabilizar catalizadores metálicos dispersos atómicamente.

En el campo de la catálisis heterogénea, el catalizador de metal disperso atómicamente ha atraído un gran interés debido a sus propiedades electrónicas y de ingeniería únicas, la mayor eficiencia atómica y los sitios activos uniformes. Sin embargo, los átomos de metal altamente dispersos se mueven y se agrupan fácilmente debido a la alta energía superficial, lo que da como resultado una baja estabilidad, o reaccionan agresivamente con el soporte y se vuelven catalíticamente inertes. Por lo tanto, cómo obtener sitios minerales «en movimiento, no grumosos» que puedan mejorar tanto la actividad catalítica como la estabilidad siempre ha sido un punto desafiante en la estimulación.

Dado esto, el equipo de investigación ha diseñado un nuevo tipo de catalizador de ‘nanoisla’ (también llamado nanopegamento), en el que los átomos de metal activos son secuestrados en ‘islas’ donde pueden moverse dentro de ellas sucesivamente, pero la migración a las ‘islas’ vecinas es limitada. prevenido, obteniendo así En los sitios de átomos «en movimiento pero no grumosos».

Para lograr este objetivo, se deben seleccionar los materiales apropiados para las «nanoislas» y los soportes, respectivamente. La afinidad entre los átomos metálicos y las «nanotierras» debe ser mucho más fuerte que la afinidad entre los átomos metálicos y los soportes. De lo contrario, es fácil que los átomos metálicos dejen sus propias «nanoislas». Por lo tanto, los investigadores eligieron óxidos con alta afinidad con los átomos metálicos como «islas» (como la ceria) en el modelo de catalizador diseñado, y óxidos de interacción débil (como la sílice) como soportes para estabilizar las «islas».

Para aislar los átomos de metal de manera eficiente, las «islas» deben ser lo suficientemente pequeñas y tener una alta densidad numérica en el soporte. Los métodos de síntesis convencionales (por ejemplo, el método de impregnación) tienden a obtener partículas grandes e irregulares que no encajan en las «islas». Entonces, el equipo desarrolló un poderoso método para absorber la electricidad estática en una solución acuosa. Los átomos de cerio de alta densidad se recubrieron primero con la superficie de sílice y luego se aglomeraron en «islas» aisladas de menos de 2 nm de tamaño mediante calcinación, como se muestra en la siguiente figura.

El próximo desafío es colocar con precisión los átomos de metal en las «nanotierras» en lugar de en el soporte. Con este fin, los investigadores volvieron a utilizar el método de adsorción electrostática fuerte, acompañado de la diferencia en el punto cero de carga de la ceria y la sílice, a la isla de ceria y la superficie de la sílice de carga opuesta. El material de platino cargado negativamente solo podía adsorberse en la tierra de nanoceria cargada positivamente, en lugar de soportar la sílice cargada negativamente, por lo que los átomos de platino crecieron exclusivamente en la isla de ceria. Debido al área limitada de «nanotierras» extremadamente pequeñas y la baja concentración de precursores de platino, en promedio se depositó menos de un átomo de platino en cada «isla».

El estudio mostró que los átomos de platino en la ceria de la “nanotierra” pueden resistir la sinterización durante la calcinación en el aire hasta 600. En particular, se ha demostrado que los átomos de platino se mueven dentro de su “isla” en el caso de la reducción de hidrógeno a temperatura elevada. , en lugar de la difusión a la isla vecina. Además, la actividad de oxidación del monóxido de carbono del catalizador activado por hidrógeno aumentó en dos órdenes de magnitud además de la extraordinaria estabilidad.

Este trabajo proporciona una nueva estrategia para promover tanto la actividad catalítica como la estabilidad. En el futuro, se espera aplicar el concepto de ‘nano’ a diferentes reacciones catalíticas mediante la selección de soportes, ‘nanosland’ y átomos metálicos activos adecuados.

Este trabajo se realizó en colaboración con WANG Yong de la Universidad Estatal de Washington, Bruce C. Gates de la Universidad de California y Davis y LIU Jingyue de la Universidad Estatal de Arizona.