Les convertisseurs catalytiques, qui ont été largement introduits dans les véhicules américains dans les années 1970, utilisent des métaux précieux comme catalyseurs pour aider à éliminer les produits chimiques mortels et nocifs des gaz d’échappement des moteurs à combustion. Le prix des métaux précieux n’a cessé d’augmenter, tout comme le nombre de vols de pots catalytiques.

Dans des études récentes parues dans Communication Nature et le Journal de l’American Chemical Societyles chercheurs de l’UCF ont montré qu’ils pouvaient, respectivement, utiliser du platine atomique pour contrôler les polluants et faire fonctionner le système à des températures plus basses, ce qui est crucial pour éliminer les produits chimiques nocifs lors du premier démarrage d’un véhicule.

Réglage fin de l’emplacement de l’atome de platine

Dans le Communication Nature étude, les équipes de recherche de l’UCF dirigées par Fudong Liu, professeur adjoint au Département de génie civil, environnemental et de la construction, et Talat Rahman, éminent professeur Pegasus au Département de physique, ont construit avec succès des atomes uniques de platine avec différents environnements de coordination atomique à des endroits spécifiques sur cérium. L’oxyde de cérium est un oxyde métallique qui contribue à améliorer les performances de la réaction catalytique.

Liu et Rahman sont également affiliés au Pôle de catalyse pour les énergies renouvelables et les transformations chimiques (REACT).

Les atomes de platine ont présenté des comportements étonnamment distincts dans les réactions catalytiques, telles que l’oxydation du monoxyde de carbone et l’oxydation de l’ammoniac dans un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur diesel, selon les chercheurs.

L’oxydation convertit le monoxyde de carbone mortel en dioxyde de carbone et l’ammoniac nocif en molécules d’azote et d’eau.

Leurs résultats suggèrent que les performances catalytiques des catalyseurs à un seul atome dans les réactions ciblées peuvent être maximisées en optimisant leurs structures de coordination locales grâce à des stratégies simples et évolutives à l’échelle industrielle, explique Liu.

« En combinant des calculs de structure électronique avec des expériences de pointe, les équipes de Liu et Rahman ont fait une percée qui peut bénéficier de manière significative à la communauté de la catalyse hétérogène en concevant des catalyseurs à atome unique hautement efficaces pour les besoins environnementaux et énergétiques », a déclaré Liu dit.

« Nous avons développé avec succès une stratégie simple pour affiner sélectivement l’environnement de coordination locale des atomes uniques de platine afin d’obtenir des performances catalytiques satisfaisantes dans différentes réactions cibles, ce qui fera progresser la compréhension de la catalyse à atome unique », a-t-il déclaré.

Rahman dit que leur travail collaboratif démontre comment la théorie et les expériences fonctionnant en tandem peuvent dévoiler des mécanismes microscopiques responsables de l’amélioration de l’activité et de la sélectivité catalytiques.

Catalyseur efficace d’oxydation du monoxyde de carbone

Dans le Journal de l’American Chemical Society étude, Liu et ses collaborateurs de Virginia Tech et de l’Université de technologie de Pékin ont considérablement amélioré l’efficacité de purification du monoxyde de carbone d’un catalyseur platine-céria-alumine de 3,5 à 70 fois par rapport aux catalyseurs au platine régulièrement utilisés.

Ils l’ont fait grâce au contrôle précis des structures de coordination du platine au niveau atomique sur un support cérium-alumine disponible dans l’industrie.

« La structure locale du site actif au sein d’un catalyseur détermine ses performances catalytiques », explique Liu. « Cependant, le contrôle précis de la structure de coordination locale des sites actifs et l’élucidation des relations structure-performance intrinsèques sont de grands défis dans le domaine de la catalyse hétérogène. »

« Nous avons travaillé pour contrôler la structure de coordination locale des sites métalliques au niveau atomique, développer un catalyseur très efficace dans les réactions liées à la purification de l’environnement et révéler la relation structure-performance des catalyseurs nouvellement fabriqués pour guider la conception future du catalyseur », a-t-il déclaré. dit.

À l’aide d’une stratégie d’enrichissement des défauts de surface, Liu et son équipe ont rapporté la fabrication réussie de structures à une seule couche atomique de platine et à un seul atome de platine avec un environnement de coordination local contrôlé avec précision sur des supports en cérium-alumine.

À l’aide de la microscopie électronique à transmission à champ noir annulaire à angle élevé, l’un des principaux coauteurs, Yue Lu de l’Université de technologie de Pékin, a observé directement que les structures à couche unique atomique de platine et à atome unique de platine montrant une exposition à 100 % au métal étaient intégrées dans réseau d’oxyde de cérium ou adsorbé sur la surface de l’oxyde de cérium.

Le site monocouche atomique de platine intégré a montré la plus grande efficacité dans la purification du monoxyde de carbone, qui était 3,5 fois supérieure à celle de la monocouche atomique de platine adsorbé et 10 à 70 fois supérieure à celle des sites à atome unique de platine.

En collaboration avec le groupe de recherche de Hongliang Xin à Virginia Tech, à la fois des aspects expérimentaux et théoriques, l’équipe a conclu que la structure monocouche atomique unique en platine intégrée pourrait favoriser l’activation des espèces d’oxygène interfaciales et ainsi bénéficier à l’oxydation du monoxyde de carbone à basse température.

Le travail est très important car il aidera la communauté de la catalyse environnementale à mieux concevoir des catalyseurs métalliques plus actifs avec une efficacité d’utilisation des métaux de 100 % pour des applications environnementales ciblées, a déclaré Liu.

« Nous avons montré comment contrôler et utiliser les structures des sites métalliques à un seul atome, à une seule couche atomique et en grappes dans les réactions liées au contrôle des émissions, et comment comprendre leur relation structure-performance en utilisant des approches de simulation expérimentales et théoriques », a déclaré Liu. « Cela ouvrira la voie à la conception future de catalyseurs environnementaux au niveau atomique et permettra d’atteindre une efficacité élevée dans les applications pratiques. »