Description du projet
La catalyse à un seul atome prend les devants dans un domaine encombré
Les catalyseurs sont essentiels à la production rapide de produits chimiques spécifiques en grande quantité, accélérant les taux de réaction sans être consommés par les réactions elles-mêmes. Cependant, bien qu’ils ne soient pas consommés, ce sont généralement des métaux précieux — la recherche sur la catalyse est motivée en grande partie par la nécessité de réduire l’utilisation de ces matériaux. Les catalyseurs à un seul atome (SAC) constitués d’atomes uniques dispersés sur un support sont à l’avant-garde de la recherche sur la catalyse hétérogène, réduisant le besoin de métaux précieux et «écologisant» potentiellement la production chimique pour une multitude d’applications. Cependant, le manque de compréhension des relations structure-fonction entrave la conception rationnelle. Le projet E-SAC, financé par l’UE, caractérise des atomes métalliques solidement ancrés sur cinq supports industriels pertinents et évalue leurs activités pour identifier les meilleures performances pour des types de réactions spécifiques. Cela ouvrira une nouvelle ère de conception rationnelle des SAC pour une industrie chimique plus verte et plus durable.
Objectif
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.
Champ scientifique
Mots‑clés
Programme(s)
Régime de financement
ERC-COG - Consolidator GrantInstitution d’accueil
1040 Wien
Autriche