Descrizione del progetto
La catalisi a singolo atomo sta guadagnando il primato in un campo affollato
I catalizzatori sono essenziali per la produzione rapida di sostanze chimiche specifiche in quantità elevate, accelerando la velocità di reazione senza essere consumati dalle reazioni stesse. Tuttavia, nonostante non vengano consumati, essi sono in genere metalli preziosi, motivo per cui le ricerche sulla catalisi sono motivate in gran parte dalla necessità di ridurre l’utilizzo di questi materiali. I catalizzatori a singolo atomo (SAC, Single-Atom Catalyst), costituiti da singoli atomi dispersi su un supporto, sono in primo piano nella ricerca sulla catalisi eterogenea, in quanto riducono la necessità di metalli preziosi e contribuiscono potenzialmente all’«inverdimento» della produzione chimica per una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, la mancata comprensione delle relazioni tra struttura e funzione ne ha impedito una progettazione razionale. Il progetto E-SAC, finanziato dall’UE, sta caratterizzando gli atomi di metallo fortemente ancorati su cinque supporti di rilevanza industriale e sta valutando le loro attività per identificare i più adatti a specifici tipi di reazione. Questo aprirà una nuova era di progettazione razionale di catalizzatori a singolo atomo per un’industria chimica più verde e sostenibile.
Obiettivo
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.
Campo scientifico
Parole chiave
Programma(i)
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
ERC-COG - Consolidator GrantIstituzione ospitante
1040 Wien
Austria