Pourquoi la taille compte pour l'or en tant que catalyseur

Anonim

L'or est le métal le plus noble - le plus résistant à l'oxydation. Cependant, l'or de taille nanométrique a la capacité unique de fonctionner comme catalyseur, même à basse température. Le mécanisme sous-jacent de ce changement de propriétés dépendant de la taille intrigue les scientifiques depuis la découverte du phénomène à la fin des années 1980.

Une équipe de chercheurs, dont Yingge Du, Chongmin Wang et Jun Li du Pacific Northwest National Laboratory, ont entrepris de répondre à cette question en utilisant la microscopie électronique à transmission de l'environnement corrigée des aberrations. Leurs travaux ont révélé de nouvelles connaissances sur les propriétés catalytiques exceptionnelles des particules d’or ultra-fin lorsqu’elles sont exposées à des gaz réactifs. Les détails de leurs résultats ont été publiés dans un article intitulé "Structures dynamiques dépendant de la taille de nanoparticules d'or supportées dans des conditions de réaction d'oxydation du CO".

Les études in situ sur les grappes d’or ultra-fin dans un environnement réactif ont fait défaut, ce qui rend difficile la vérification de l’origine de l’effet de taille en catalyse. Cette étude a utilisé la microscopie électronique à transmission in situ pour révéler que les nanoparticules d'or, isolées jusqu'à une taille critique, subissent des modifications structurelles dynamiques dans les conditions de travail catalytiques et que tous les atomes d'or d'un cluster peuvent être activés pour favoriser les réactions catalytiques. Les preuves de la transformation à cette échelle ultra-fine ne peuvent être obtenues que par caractérisation in situ et operando.

Cette découverte remet en cause la pensée classique selon laquelle l'or en tant que catalyseur conserve la même structure entre les conditions statiques et catalytiques. En fait, ces grappes d’or ultrasmalliques par ailleurs stables peuvent se transformer en une phase métastable. Les résultats suggèrent également que les nanocatalyseurs peuvent fonctionner comme des catalyseurs à un seul atome générés dynamiquement, un concept qui a suscité un intérêt récent remarquable dans la communauté de la catalyse.

"Les relations détaillées structure-stabilité-propriété établies ici peuvent conduire à un changement de paradigme dans la conception de catalyseurs atomiques", explique Wang.

Des grappes d'or ultra-minces soutenues par des films minces de cérium monocristallin (CeO 2 (111)) ont été exposées au monoxyde de carbone réactif et au gaz oxygène (CO + O 2) par microscopie électronique environnementale in situ combinée à la modélisation Les chercheurs ont observé différentes réponses structurelles au gaz réactif en fonction de la taille de la nanoparticule. Dans sa forme ultra-fine (des dizaines d'atomes), une nanoparticule d'or présentait des changements structurels dynamiques dans les conditions de travail catalytiques; la structure intrinsèque a été perdue et les amas sont devenus désordonnés, tandis que des atomes dynamiques faiblement coordonnés se sont formés à la surface. Les simulations de dynamique moléculaire ab initio ont confirmé ces observations et ont en outre révélé que la génération d'atomes dynamiques faiblement coordonnés via des espèces or-carbonyle pourrait jouer le rôle de centres actifs dynamiques pour l'oxydation du CO.

Pour des nanoparticules légèrement plus grandes (jusqu’à quelques centaines d’atomes), la structure cubique à faces centrées, par ailleurs stable, se transforme en une structure désordonnée exposée au CO et à l’oxygène, qui devient liquide et forme simultanément des atomes d’or faiblement coordonnés.

En revanche, les plus grandes nanoparticules conservent leur structure tout en subissant des reconstructions de surface localisées.

La réponse structurelle dépendante de la taille au gaz réactif, en particulier la génération d'atomes Au dynamiques faiblement coordonnés dans les particules d'or ultra-fines, peut efficacement stimuler la réaction par un transport facile du CO vers les sites de réaction. catalyse or et pourquoi les nanoparticules d’or les plus grandes ont tendance à devenir inertes.

L’équipe pense qu’il faudrait travailler davantage pour explorer comment les nanoparticules d’or se transforment de leur structure ordonnée en une structure désordonnée et pour comprendre si cet effet de taille existe également dans d’autres systèmes catalytiques. Ils recherchent des fonds et des ressources supplémentaires pour soutenir une recherche élargie dans ce domaine.

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