Наблюдение за биметаллической каталитической поверхностью в действии

31 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Общество Макса Планка

Команда исследователей из отдела исследований интерфейсов Института Фрица Габера Общества Макса Планка задалась вопросом: что происходит с поверхностью Cu, промотированной Ga, в условиях реакции, необходимых для синтеза метанола? Они обнаружили сложные структурные превращения этого биметаллического катализатора, которые могут изменить общепринятое представление о структуре каталитически активной поверхности.

Гидрирование CO2 в метанол происходит с высокой эффективностью на известных катализаторах Cu/ZnO/Al2O3 при высоких давлениях, т.е. 50–100 бар. Однако этот синтез не только сопряжен с риском безопасности и высоким потреблением энергии, но также ограничивает концентрацию CO2 в газовом сырье для поддержания высокой селективности.

Поэтому новый класс катализаторов для синтеза метанола под низким давлением весьма желателен, в том числе для будущей разработки небольших устройств, использующих водород, вырабатываемый солнечной энергией, при атмосферном давлении.

Недавно было обнаружено, что интерметаллические соединения и сплавы, содержащие Ga, демонстрируют хорошие каталитические свойства даже при атмосферном давлении. Однако промотирующая роль Ga в этих катализаторах до сих пор недостаточно изучена, в первую очередь из-за отсутствия информации о поверхностных структурах катализаторов.

В этом отношении исследования с использованием поверхностно-чувствительных методов, применяемых к четко определенным модельным катализаторам в условиях реакции, могут предоставить ключевую информацию, которая поможет нам понять динамическую природу активных центров, промежуточных продуктов реакции и, в конечном итоге, механизма реакции.

Группа исследователей из отдела изучения интерфейсов Института Фрица Хабера воспользовалась лабораторной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией при ближнем давлении (NAP-XPS) и сканирующей туннельной микроскопией (NAP-STM) для мониторинга структурных изменений in situ. и химическая эволюция биметаллических поверхностей Ga-Cu в реакции гидрирования CO2.

Они наблюдали расслоение биметаллической поверхности в зависимости от температуры и давления, в результате чего островки оксида галлия внедрялись в поверхность меди. Хотя оксидная фаза имеет стехиометрию, близкую к Ga2O3, т.е. наиболее стабильному оксиду Ga, на самом деле она образует ультратонкий слой.

Продвигающий эффект таких металлов, как Ga, склонных к окислению, часто обсуждается в рамках структурных моделей, в которых объемный оксид размещается поверх поверхности металла, а соответствующий механизм реакции включает перераспределение промежуточных частиц на границе раздела. Настоящее исследование ясно продемонстрировало, что: (i) оксид Ga внедрен в поверхность металла; и (ii) островки оксида галлия ультратонкие, скорее всего, имеют толщину «монослоя».

Индуцированное реакцией образование ультратонкого слоя оксида Ga на металлических поверхностях ожидается также для Ga-содержащих интерметаллидов. Важно отметить, что такие двумерные оксидные пленки сильно отличаются от своих объемных аналогов по структуре и реакционной способности.

Следовательно, граница раздела GaOx/Cu, образующаяся в условиях реакции гидрирования CO2, может обнажить каталитически активные центры, которые ранее не рассматривались для этой реакции. Такую информацию было бы невозможно получить с помощью объемно-чувствительных методов, обычно используемых для характеристики порошковых катализаторов.

Результаты этого исследования, недавно опубликованные в журнале Nature Communications, проливают свет на сложную структуру поверхности Ga-содержащих каталитических систем.