Theo dòng sự kiện

Nghiên cứu cho thấy vai trò của bạch kim trong việc chuyển đổi nhiên liệu sạch

19/02/2021, 17:05

TNNN - Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Đại học Stony Brook (SBU) và các tổ chức hợp tác khác đã khám phá ra các chi tiết động lực học, cấp nguyên tử về cách thức hoạt động của một chất xúc tác quan trọng dựa trên bạch kim trong phản ứng chuyển dịch khí nước.

Phản ứng này biến carbon monoxide (CO) và nước (H2O) thành carbon dioxide (CO2) và khí hydro (H2) - một bước quan trọng trong sản xuất và tinh chế hydro cho nhiều ứng dụng, bao gồm sử dụng làm nhiên liệu sạch trong xe chạy bằng pin nhiên liệu và trong sản xuất hydrocacbon.

Nhưng vì bạch kim rất hiếm và đắt tiền, các nhà khoa học đã tìm cách tạo ra chất xúc tác sử dụng ít kim loại quý này hơn. Hiểu chính xác những gì bạch kim làm là một bước cần thiết.

Nghiên cứu mới, được công bố trên Nature Communications, xác định các nguyên tử liên quan đến vị trí hoạt động của chất xúc tác, giải quyết các xung đột trước đó về cách hoạt động của nó. Các thí nghiệm cung cấp bằng chứng chắc chắn rằng chỉ một số nguyên tử bạch kim mới đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi hóa học.

"Một phần của thách thức là bản thân chất xúc tác có cấu trúc phức tạp", tác giả chính Yuanyuan Li, nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Hóa học của SBU.

"Chất xúc tác được làm từ các hạt nano bạch kim (các đám nguyên tử bạch kim) nằm trên bề mặt ôxít xeri (ceria). Một số nguyên tử bạch kim đó nằm trên bề mặt của hạt nano, một số nằm trong lõi; một số nằm ở mặt phân cách với ceria, và một số trong đó nằm ở chu vi - các cạnh bên ngoài - của giao diện đó", Li nói. "Những vị trí và cách bạn đặt các hạt trên bề mặt có thể ảnh hưởng đến nguyên tử nào sẽ tương tác với các phân tử khí, bởi vì một số nguyên tử tiếp xúc và một số thì không."

Các thí nghiệm trước đó đã đưa ra các kết quả trái ngược nhau về việc liệu các phản ứng xảy ra trên các hạt nano hay tại các nguyên tử bạch kim đơn lẻ, và liệu các vị trí hoạt động có tích điện dương hay âm hay trung tính. Chi tiết về cách chất hỗ trợ ceria tương tác với bạch kim để kích hoạt hoạt động xúc tác cũng không rõ ràng.

"Chúng tôi muốn giải quyết những câu hỏi này," Li nói. “Để xác định địa điểm đang hoạt động và xác định điều gì đang thực sự xảy ra tại địa điểm này, sẽ tốt hơn nếu chúng ta có thể điều tra loại chất xúc tác này ở cấp độ nguyên tử”, cô chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà khoa học từ Trung tâm Vật liệu nano Chức năng (CFN) của Brookhaven và các tổ chức khác trên khắp Hoa Kỳ và Thụy Điển, đã sử dụng một loạt các kỹ thuật để thực hiện điều đó. Họ đã nghiên cứu chất xúc tác trong các điều kiện phản ứng và thật bất ngờ, họ đã phát hiện ra một hiệu ứng đặc biệt xảy ra khi chất xúc tác đạt trạng thái hoạt động trong điều kiện phản ứng.

Frenkel nói: “Các nguyên tử bạch kim ở chu vi của các hạt 'nhảy múa' trong một thí nghiệm hiển vi điện tử do các cộng tác viên của chúng tôi thực hiện, trong khi phần còn lại của các nguyên tử ổn định hơn nhiều. Hành vi như vậy không được quan sát thấy khi một số chất phản ứng (CO hoặc nước) bị loại bỏ khỏi dòng phân tử phản ứng."

Li cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng chỉ có các nguyên tử bạch kim ở chu vi của bề mặt phân cách giữa các hạt nano và hạt ceria mới cung cấp hoạt tính xúc tác. Các đặc tính động lực học tại các vị trí chu vi này cho phép CO lấy oxy từ nước để nó có thể trở thành CO2, và nước (H2O) mất oxy để trở thành hydro."

Giờ đây, các nhà khoa học đã biết nguyên tử bạch kim nào đóng vai trò tích cực trong chất xúc tác, họ có thể thiết kế chất xúc tác chỉ chứa các nguyên tử bạch kim hoạt động đó.

Li nói: “Chúng ta có thể cho rằng tất cả các nguyên tử bạch kim trên bề mặt đều hoạt động, nhưng thực tế không phải như vậy. Chúng ta không cần tất cả chúng, chỉ cần những chất hoạt động. Điều này có thể giúp chúng ta làm cho chất xúc tác ít tốn kém hơn bằng cách loại bỏ các nguyên tử không tham gia vào phản ứng." "Chúng tôi tin rằng cơ chế này có thể được tổng quát hóa cho các hệ thống xúc tác và phản ứng khác", cô nói thêm.

Chi tiết thí nghiệm

"Ảnh chụp nhanh" bằng kính hiển vi điện tử tại CFN và tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia cho thấy bản chất động lực học của các nguyên tử platin. "Trong một số hình ảnh, vị trí chu vi ở đó, bạn có thể nhìn thấy nó, nhưng trong một số hình ảnh thì không có ở đó. Đây là bằng chứng cho thấy các nguyên tử này rất năng động, có độ linh động cao", Li nói.

Các nghiên cứu quang phổ hồng ngoại (IR) tại Phòng Hóa học của Brookhaven cho thấy sự xuất hiện của các vị trí chu vi trùng với "chỗ trống oxy" - một dạng khiếm khuyết trên bề mặt ôxít xeri. Các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng CO có xu hướng di chuyển trên bề mặt hạt nano bạch kim về phía các nguyên tử chu vi, và các nhóm hydroxy (OH) tồn tại trên ceria gần các nguyên tử bạch kim.

Vì vậy, có vẻ như các nguyên tử bạch kim ở chu vi mang hai chất phản ứng, CO và OH (từ các phân tử nước) lại với nhau”, Li nói.

Các nghiên cứu quang phổ điện tử tia X trong Hóa học cho thấy rằng các nguyên tử platin ở chu vi cũng được kích hoạt - chuyển từ trạng thái phi kim sang trạng thái kim loại có thể thu giữ các nguyên tử oxy từ các nhóm OH và cung cấp oxy đó thành CO.

Một loạt thí nghiệm nghiên cứu quang phổ hấp thụ tia x được thực hiện tại Nguồn Photon Nâng cao (APS) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của DOE - cho thấy những thay đổi cấu trúc động của chất xúc tác.

Li nói: “Chúng tôi thấy cấu trúc đang thay đổi trong các điều kiện phản ứng.”

Những nghiên cứu đó cũng tiết lộ một liên kết dài bất thường giữa các nguyên tử bạch kim và oxy trên mặt đỡ ceria, cho thấy rằng một thứ gì đó vô hình đối với tia X đang chiếm không gian giữa hai nguyên tử này.

"Chúng tôi nghĩ rằng có một số nguyên tử hydro giữa hạt nano và giá đỡ. Tia X không thể nhìn thấy các nguyên tử nhẹ như hydro. Trong điều kiện phản ứng, các hydro nguyên tử đó sẽ tái kết hợp để tạo thành H2", cô nói thêm.

Các đặc điểm cấu trúc và chi tiết về cách các thay đổi động lực học liên quan đến phản ứng sẽ giúp các nhà khoa học hiểu cơ chế hoạt động của chất xúc tác đặc biệt này và có khả năng thiết kế những chất xúc tác có hoạt tính tốt hơn với chi phí thấp hơn. Các kỹ thuật tương tự cũng có thể được áp dụng cho các nghiên cứu về các chất xúc tác khác.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily

Bình luận