Pesquisadores trabalham para reduzir a quantidade de metais preciosos

Os conversores catalíticos, que foram amplamente introduzidos nos veículos americanos na década de 1970, usam metais preciosos como catalisadores para ajudar a remover produtos químicos nocivos e mortais do escapamento do motor de combustão. Como o preço dos metais preciosos continuou a subir, também aumentou o número de roubos de conversores catalíticos.

Em estudos recentes que aparecem em Natureza Comunicações e a Jornal da Sociedade Química Americanaos pesquisadores da UCF mostraram que poderiam, respectivamente, usar platina atômica para controlar poluentes e operar o sistema em temperaturas mais baixas, o que é crucial para remover produtos químicos nocivos quando um veículo é ligado pela primeira vez.

Ajuste fino da localização do átomo de platina

No Natureza Comunicações estudo, as equipes de pesquisa da UCF lideradas por Fudong Liu, professor assistente no Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e de Construção, e Talat Rahman, distinto professor Pegasus no Departamento de Física, construíram com sucesso átomos individuais de platina com diferentes ambientes de coordenação atômica em locais específicos em ceria. Ceria é um óxido de metal que ajuda a melhorar o desempenho da reação catalítica.

Liu e Rahman também são afiliados ao Grupo de Catálise para Energia Renovável e Transformações Químicas (REACT).

Os átomos de platina exibiram comportamentos notavelmente distintos em reações catalíticas, como oxidação de monóxido de carbono e oxidação de amônia em um sistema de pós-tratamento de exaustão de motor a diesel, dizem os pesquisadores.

A oxidação converte monóxido de carbono mortal em dióxido de carbono e amônia prejudicial em moléculas de nitrogênio e água.

Seus resultados sugerem que o desempenho catalítico de catalisadores de átomo único em reações direcionadas pode ser maximizado pela otimização de suas estruturas de coordenação local por meio de estratégias simples e escaláveis ​​industrialmente, diz Liu.

“Ao combinar cálculos de estrutura eletrônica com experimentos de ponta, as equipes de Liu e Rahman fizeram um avanço que pode beneficiar significativamente a comunidade de catálise heterogênea ao projetar catalisadores de átomo único altamente eficientes para necessidades ambientais e relacionadas à energia”, Liu diz.

“Desenvolvemos com sucesso uma estratégia fácil para ajustar seletivamente o ambiente de coordenação local de átomos individuais de platina para alcançar um desempenho catalítico satisfatório em diferentes reações-alvo, o que levará a compreensão da catálise de átomo único um passo significativo à frente”, diz ele.

Rahman diz que seu trabalho colaborativo demonstra como teoria e experimentos trabalhando em conjunto podem revelar mecanismos microscópicos responsáveis ​​por aumentar a atividade catalítica e a seletividade.

Catalisador Eficiente de Oxidação de Monóxido de Carbono

No Jornal da Sociedade Química Americana No estudo, Liu e colaboradores da Virginia Tech e da Universidade de Tecnologia de Pequim melhoraram significativamente a eficiência da purificação de monóxido de carbono de um catalisador de platina-céria-alumina em 3,5 a 70 vezes em comparação com os catalisadores de platina usados ​​regularmente.

Eles fizeram isso através do controle preciso das estruturas de coordenação da platina no nível atômico em um suporte de ceria-alumina disponível industrialmente.

“A estrutura local do sítio ativo dentro de um catalisador determina seu desempenho catalítico”, diz Liu. “No entanto, o controle preciso da estrutura de coordenação local dos sítios ativos e a elucidação das relações intrínsecas de desempenho da estrutura são grandes desafios no campo da catálise heterogênea.”

“Trabalhamos para controlar a estrutura de coordenação local de sítios metálicos em nível atômico, desenvolver um catalisador altamente eficiente em reações relacionadas à purificação ambiental e revelar a relação estrutura-desempenho dos catalisadores recém-fabricados para orientar o futuro projeto de catalisadores”, disse ele. diz.

Usando uma estratégia de enriquecimento de defeitos de superfície, Liu e sua equipe relataram a fabricação bem-sucedida de estruturas atômicas de camada única de platina e de átomo único de platina com ambiente de coordenação local controlado com precisão em suportes de ceria-alumina.

Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo, um dos principais coautores, Yue Lu, da Universidade de Tecnologia de Pequim, observou diretamente que as estruturas de camada única atômica de platina e de átomo único de platina mostrando 100% de exposição ao metal foram incorporadas estrutura de ceria ou adsorvida na superfície de ceria.

O sítio de camada única atômica de platina incorporado mostrou a maior eficiência na purificação de monóxido de carbono, que foi 3,5 vezes maior do que na camada única atômica de platina adsorvida e 10 a 70 vezes maior do que nos sítios de átomo único de platina.

Em colaboração com o grupo de pesquisa de Hongliang Xin na Virginia Tech, tanto de aspectos experimentais quanto teóricos, a equipe concluiu que a estrutura única de camada única atômica de platina incorporada poderia promover a ativação de espécies de oxigênio interfacial e, assim, beneficiar a oxidação do monóxido de carbono em baixas temperaturas.

O trabalho é muito importante porque ajudará a comunidade de catálise ambiental a projetar melhor catalisadores de metal mais ativos com 100% de eficiência de utilização de metal para aplicações ambientais direcionadas, disse Liu.

“Mostramos como controlar e utilizar as estruturas de metal de átomo único, camada única atômica e locais de cluster em reações relacionadas ao controle de emissão e como entender sua relação estrutura-desempenho usando abordagens de simulação experimental e teórica”, disse Liu. “Isso abrirá caminho para o futuro design de catalisadores ambientais em nível atômico e alcançará alta eficiência em aplicações práticas”.