一酸化炭素を室温で酸化させた白金原子

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Anonim
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アメリカの化学者は、酸化第一銅の支持体上に分布した白金原子からなる、一酸化炭素の変換のための新しい触媒組成物を開発しました。この触媒により、室温でも一酸化炭素を酸化することができます。摂氏約70度の温度で達成された最大反応収率は33%を超えませんが、将来的には、そのような触媒が新世代の自動車用コンバーターの基礎になる可能性がある、と科学者たちはNatureCatalysisに書いています。

自動車エンジンの効率を上げるために、エンジニアはエネルギー損失を減らし、それに応じて動作温度を下げるように努めています。その結果、エンジンの動作を最適化するプロセスにより、自動車のコンバーターで使用されていた一酸化炭素を酸化し、高温で効果的に機能する触媒は、実質的にそのタスクに対処できなくなったという事実につながりました。したがって、効果のない触媒を置き換えるために、化学者は摂氏200度以下の温度で一酸化炭素を二酸化炭素に酸化できる材料を見つけようとしています。

科学者たちは、このようなプロセスで最も有望なタイプの触媒の1つは、個々の原子上の触媒であると考えています。特に昨年、中国と米国の研究者は、酸化セリウムをベースにした材料を使用することを提案しました。この材料の表面には、個々の白金原子が均一に分布しています。この触媒により、酸化温度を摂氏150度まで下げることができました。

現在、タフツ大学のE. Charles H. Sykesの指導の下にあるアメリカの化学者は、COの酸化に同様の触媒を使用することを提案しました。この触媒では、白金原子が酸化物担体上に分布し、酸化セリウムではなく亜酸化銅を使用しました。サポート。Cu2O。金属銅の正しい配向面に酸化銅(I)の膜を作ると、その上に個々の白金原子が堆積した後、室温でもCOがCO2に酸化されることがわかった。

このような触媒での一酸化炭素の酸化のメカニズムを研究するために、科学者たちは液体窒素の温度でその表面にCO分子を吸着し、その後ゆっくりと表面を加熱し始めました。最初にそのような実験で分子が白金原子と酸化銅の両方に吸着された場合、温度が摂氏-100度を超えると、一酸化炭素は白金にのみ残ります。その後、2つのプロセスが互いに競合します。元の形の一酸化炭素の脱着と、分子の二酸化炭素への酸化と、それに続く酸化膜の酸素空孔の形成による表面からの剥離です。

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触媒表面からのガス脱着中の2つの競合するプロセス:酸化ありとなし

触媒の効率は、白金原子の近くの酸化物構造に酸素空孔が形成される可能性に正確に基づいています。温度が上昇すると、それらが形成される可能性が高くなり、摂氏約70度で最大33パーセントに達します。

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温度と表面の白金原子の割合に応じて、得られるガス混合物中の酸素分圧。最も興味深いのは、酸化膜上の個々の白金原子に対応する下側の曲線です。最大二酸化炭素含有量は約33%の反応収率に対応し、摂氏約70度の温度で観察されます。

変換効率は、酸素欠陥のすぐ近くの表面からガスが脱離した後に位置する白金原子の数からも見積もることができます。例えば、そのような白金原子の最大反応収率の場合、それは42パーセントであることが判明した。

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さまざまな温度でアニーリングした後の触媒表面の画像。輝点は白金原子に対応し、矢印は酸化膜の酸素空孔を示します。それらの数は、一酸化炭素酸化反応の収率を決定します。

研究の著者は、二酸化炭素分子が触媒表面から分離した後、それが不活性化されることに注目しています。化学者によると、これは、拡散の結果として表面に残っている白金原子が表面下の層に移動することを意味します。

科学者によると、彼らが提案した触媒が産業開発に使用される可能性はほとんどありません。しかし、第一に、一酸化炭素の変換のための触媒が室温で作動できることを研究の結果が示し、第二に、触媒反応のメカニズムを詳細に研究し、将来の新材料の開発に役立つであろう。 。

科学者が効果的な触媒を開発しているもう1つの重要な化学反応は、大気中の二酸化炭素を、燃料として使用できる有用な製品(アルコールまたは炭化水素)に還元することです。たとえば、最近、科学者は銅をベースにした触媒を受け取りました。これにより、二酸化炭素をエチレンに選択的に還元し、収率は99.5%になります。そして、別の科学者グループが、水に溶けている二酸化炭素を効果的にエタノールに還元できる材料を考案しました。

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