Projektbeschreibung
Die Einzelatom-Katalyse führt in dichtem Gedränge
Katalysatoren sind für die schnelle Produktion spezifischer Chemikalien in hoher Menge unerlässlich, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen, ohne von den Reaktionen selbst verbraucht zu werden. Doch auch wenn sie nicht verbraucht werden, handelt es sich in der Regel um Edelmetalle. Die Katalyseforschung wird daher zu einem großen Teil von der Notwendigkeit angetrieben, die Verwendung dieser Materialien zu reduzieren. Einzelatom-Katalysatoren (Single‐Atom Catalysts, SAC), die aus einzelnen, auf einem Träger verteilten Atomen bestehen, stehen an der Spitze der Forschung im Bereich der heterogenen Katalyse. Sie verringern den Bedarf an Edelmetallen und gestalten die chemische Produktion für eine Vielzahl von Anwendungen möglicherweise umweltfreundlicher. Lücken im Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen haben ein rationales Design bisher jedoch behindert. Im EU-finanzierten Projekt E-SAC werden robust verankerte Metallatome auf fünf industriell relevanten Trägern charakterisiert und es werden deren Aktivitäten evaluiert, um für bestimmte Reaktionstypen die leistungsfähigsten Varianten zu identifizieren. Dies eröffnet die Möglichkeit zur rationalen Gestaltung von Einzelatom-Katalysatoren für eine ökologischer ausgerichtete und nachhaltigere chemische Industrie.
Ziel
Rare and expensive metals tend to be the best catalysts, and minimising or replacing them is a major research target as we strive to develop an economy based on more environmentally-friendly, energy-efficient technologies. “Single-atom” catalysis (SAC) represents the ultimate in efficiency, and the chemical bonds formed between the metal atom and the support mean these systems strongly resemble the organometallic complexes utilized in homogeneous catalysis. If all active sites were identical, single-atom catalysts (SACs) could achieve similar levels of selectivity, and even be used to “heterogenize” difficult reactions that must be currently performed in solution. There is a problem however: homogeneous catalysts are designed based on well-understood structure-function relationships. In SAC, the structure of the active site is unknown, thus rational design is impossible.
My group in Vienna has pioneered the use of the model supports to understand fundamental mechanisms in SAC. Our work with Fe3O4(001) proves that we can precisely determine and even selectively modify the active site, and unravel the role of structure in catalytic activity. Real progress, however, requires realistic active sites, realistic supports, and realistic environments. In this project, I describe how we will determine the sites that robustly anchor metal atoms on five of the most important supports in ultrahigh vacuum (UHV), and test their performance in newly-developed high-pressure and electrochemical cells. The origins of selectivity for PROX, hydrogenation, hydroformylation, methane conversion, and the oxygen reduction reaction (ORR) will be elucidated, and the best atom/support combinations for each reaction identified. Robust XANES and IRAS spectra will allow us to bridge the complexity gap and recreate the optimal active sites on real SACs and lead the way into a new era in which heterogeneous catalysts are designed for purpose, based on a fundamental understanding of how they work.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-COG - Consolidator GrantGastgebende Einrichtung
1040 Wien
Österreich