Новости химической науки > Новый дизайн поверхности катализатора окисления

Исследователи из Китая разработали новый твердый катализатор, который может способствовать селективному окислению моноксида углерода до диоксида в присутствии водорода.

Новый катализатор может найти применение в водородных топливных ячейках, поскольку даже незначительная примесь СО в топливе может стать каталитическим ядом для платиновых электродов топливных ячеек.

Стабильные наноостровки оксида железа(II) располагаются на поверхности платины. Угарный газ окисляется на координационно-ненасыщенных атомах железа, расположенных на границах этих островков. (Рисунок из Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1188267)

Давно известно, что катализаторы на основе координационно-ненасыщенных атомов железа играют важную роль как в гомогенном металлокомплексном, так и в ферментативном катализе реакций окисления. В таких системах координационно-ненасыщенный атом железа стабилизируется либо за счет лиганда, либо за счет белков. Исследователи давно предполагали, что координационно-ненасыщенные атомы железа могут оказаться полезными и для разработки гетерогенных катализаторов, однако до настоящего времени возникали сложности в получении твердофазных катализаторов такого типа.

Исследователи из Китая предварительно изучили возможность получения твердофазных катализаторов с координационно-ненасыщенными атомами железа теоретически, результаты расчетов позволили им разработать практический подход для непростого получения таких катализаторов.

Новый катализатор был получен за счет создания «наноостровков» оксида железа(II), размер которых составлял 3-5 нм напылением железа на поверхность платины в присутствии кислорода. В обычных условиях железо окисляется до трехвалентного состояния, однако прочные силы адгезии между оксидом железа(II) и поверхностью платины приводят к возникновению такого явления, как поверхностная локализация («interface confinement»), которое и стабилизирует FeO.

Исследователи продемонстрировали, что края наноостровков содержат координационно ненасыщенные атомы железа, которые способствуют диссоциации молекулярного кислорода на атомы. Моноксид углерода адсорбируется поверхностью платины и окисляется на координационно ненасыщенных атомах железа.

Исследователи продемонстрировали, что новая система может способствовать селективному окислению моноксида углерода в присутствии водорода, такая избирательность нового катализатора может оказаться очень полезной для предотвращения отравления платиновых электродов водородных топливных ячеек моноксидом углерода.

Работавший над проектом Синь Бао (Xinhe Bao) из Института Химической Физики в Даляне отмечает, что исследователям удалось разработать относительно простую концепцию для получения координационно-ненасыщенных атомов металла на твердой подложке, он полагает, что новый способ позволит получить новые катализаторы, которые могут оказаться полезными для других реакций.

Ренальд Шауб (Renald Schaub), специалист по химии поверхности из Университета св. Андрея отмечает, что большая часть разработанных в настоящее время катализаторов разработана без глубокого понимания процессов, лежащих в их активности, добавляя, что лишь недавно начались систематические работы по изучению влияния строения твердотельного катализатора на его каталитическую активность, селективность и стабильность. Шауб заявляет, что исследование китайских коллег является замечательным примером таких работ и показывает, как можно осмысленно подходить к созданию новых гетерогенных катализаторов.

Источник: Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1188267

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ, #нанотехнологии, #неорганическая химия, #химическая технология, #химия поверхности