Opis projektu
Kataliza oparta na pojedynczych atomach
Katalizatory, które przyspieszają reakcje, same nie ulegając zużyciu w ich wyniku, są niezbędne do szybkiej produkcji konkretnych chemikaliów w dużych ilościach. Są to zazwyczaj metale szlachetne, a badania nad katalizą mają obecnie na celu głównie ograniczenie wykorzystania tych materiałów. Katalizatory jednoatomowe (ang. „single-atom catalysts, SAC) składające się z pojedynczych atomów rozproszonych na nośniku należą do najbardziej zaawansowanych rozwiązań w badaniach nad katalizatorami heterogenicznymi, a ich atutem jest zmniejszenie zapotrzebowania na metale szlachetne i potencjalnie umożliwienie bardziej ekologicznej produkcji chemikaliów na potrzeby wielu zastosowań. Racjonalne projektowanie tych związków jest jednak trudne ze względu na brak pełnej wiedzy na temat zależności między ich strukturą i funkcją. Uczestnicy unijnego projektu E-SAC podjęli się scharakteryzowania mocno zakotwiczonych atomów metali na pięciu istotnych z przemysłowego punktu widzenia podłożach oraz oceny ich działania w celu określenia najbardziej efektywnych związków dla konkretnych rodzajów reakcji. Prace te zapoczątkują nową erę racjonalnego projektowania SAC, przyczyniając się do budowy bardziej ekologicznego i zrównoważonego przemysłu chemicznego.
Cel
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.
Dziedzina nauki
Słowa kluczowe
Program(-y)
Temat(-y)
System finansowania
ERC-COG - Consolidator GrantInstytucja przyjmująca
1040 Wien
Austria