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Aug 06, 2023

Investigadores de la UCF trabajan para reducir la cantidad de metales preciosos en los convertidores catalíticos

Los metales preciosos, como el platino, el paladio y el rodio, en procesos catalíticos

Los metales preciosos, como el platino, el paladio y el rodio, en los convertidores catalíticos hacen que los dispositivos de los vehículos sean atractivos para los ladrones, pero los investigadores de la Universidad de Florida Central están trabajando para reducir la cantidad de metales preciosos necesarios en ellos, hasta átomos individuales, sin dejar de maximizar su eficacia.

Los convertidores catalíticos, que se introdujeron ampliamente en los vehículos estadounidenses en la década de 1970, usan metales preciosos como catalizadores para ayudar a eliminar los químicos dañinos y mortales del escape del motor de combustión. A medida que el precio de los metales preciosos ha seguido aumentando, también lo ha hecho el número de robos de convertidores catalíticos.

En estudios recientes que aparecieron en Nature Communications y el Journal of the American Chemical Society, los investigadores de la UCF demostraron que podían, respectivamente, usar platino atómico para controlar los contaminantes y operar el sistema a temperaturas más bajas, lo cual es crucial para eliminar los químicos dañinos cuando un vehículo primero empieza.

Ajuste fino de la ubicación del átomo de platino

En el estudio de Nature Communications, los equipos de investigación de la UCF dirigidos por Fudong Liu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y de Construcción, y Talat Rahman, profesor distinguido de Pegasus en el Departamento de Física, construyeron con éxito átomos individuales de platino con diferentes entornos de coordinación atómica. en lugares específicos de ceria. Ceria es un óxido de metal que ayuda a mejorar el rendimiento de la reacción catalítica.

Liu y Rahman también están afiliados al Catalysis Cluster for Renewable Energy and Chemical Transformations (REACT).

Los átomos de platino exhibieron comportamientos sorprendentemente distintos en las reacciones catalíticas, como la oxidación del monóxido de carbono y la oxidación del amoníaco en un sistema de postratamiento de gases de escape de un motor diesel, dicen los investigadores.

La oxidación convierte el monóxido de carbono mortal en dióxido de carbono y el amoníaco dañino en nitrógeno y moléculas de agua.

Sus resultados sugieren que el rendimiento catalítico de los catalizadores de un solo átomo en reacciones específicas se puede maximizar mediante la optimización de sus estructuras de coordinación locales a través de estrategias simples y escalables industrialmente, dice Liu.

"Al combinar cálculos de estructuras electrónicas con experimentos de vanguardia, los equipos de Liu y Rahman han logrado un gran avance que puede beneficiar significativamente a la heterogénea comunidad de catálisis en el diseño de catalizadores de un solo átomo altamente eficientes para las necesidades relacionadas con el medio ambiente y la energía", dijo Liu. dice.

"Hemos desarrollado con éxito una estrategia sencilla para ajustar selectivamente el entorno de coordinación local de los átomos individuales de platino para lograr un rendimiento catalítico satisfactorio en diferentes reacciones objetivo, lo que impulsará la comprensión de la catálisis de un solo átomo un importante paso adelante", dice.

Rahman dice que su trabajo colaborativo demuestra cómo la teoría y los experimentos trabajando en conjunto pueden revelar mecanismos microscópicos responsables de mejorar la actividad y selectividad catalítica.

Catalizador de oxidación de monóxido de carbono eficiente

En el estudio Journal of the American Chemical Society, Liu y colaboradores de Virginia Tech y la Universidad Tecnológica de Beijing mejoraron significativamente la eficiencia de purificación de monóxido de carbono de un catalizador de platino-ceria-alúmina entre 3,5 y 70 veces en comparación con los catalizadores de platino que se usan regularmente.

Hicieron esto a través del control preciso de las estructuras de coordinación del platino a nivel atómico en un soporte de ceria-alúmina disponible industrialmente.

"La estructura local del sitio activo dentro de un catalizador determina su desempeño catalítico", dice Liu. "Sin embargo, el control preciso de la estructura de coordinación local de los sitios activos y la elucidación de las relaciones estructura-rendimiento intrínsecas son grandes desafíos en el campo de la catálisis heterogénea".

"Hemos trabajado para controlar la estructura de coordinación local de los sitios metálicos a nivel atómico, desarrollar un catalizador altamente eficiente en las reacciones relacionadas con la purificación ambiental y revelar la relación estructura-rendimiento de los catalizadores recién fabricados para guiar el futuro diseño del catalizador", dijo. dice.

Usando una estrategia de enriquecimiento de defectos superficiales, Liu y su equipo informaron sobre la fabricación exitosa de estructuras atómicas de platino de una sola capa y de un solo átomo de platino con un entorno de coordinación local controlado con precisión en soportes de ceria-alúmina.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo, uno de los coautores clave, Yue Lu de la Universidad Tecnológica de Beijing, observó directamente que las estructuras de una sola capa atómica de platino y de un solo átomo de platino que mostraban una exposición del 100% al metal estaban incrustadas en celosía de ceria o adsorbida en la superficie de ceria.

El sitio de capa única atómica de platino incrustado mostró la mayor eficiencia en la purificación de monóxido de carbono, que fue 3,5 veces mayor que la de la capa única atómica de platino adsorbida y de 10 a 70 veces mayor que la de los sitios de átomo único de platino.

En colaboración con el grupo de investigación de Hongliang Xin en Virginia Tech, tanto desde el punto de vista experimental como teórico, el equipo concluyó que la exclusiva estructura atómica de una sola capa de platino incrustado podría promover la activación de las especies interfaciales de oxígeno y, por lo tanto, beneficiar la oxidación del monóxido de carbono a bajas temperaturas.

El trabajo es muy importante porque ayudará a la comunidad de catálisis ambiental a diseñar mejor catalizadores metálicos más activos con una eficiencia de utilización del metal del 100 % para aplicaciones ambientales específicas, dice Liu.

"Mostramos cómo controlar y utilizar las estructuras de un solo átomo metálico, una sola capa atómica y sitios de racimo en reacciones relacionadas con el control de emisiones, y cómo comprender su relación estructura-rendimiento utilizando enfoques de simulación tanto experimentales como teóricos", dice Liu. "Esto allanará el camino para el futuro diseño de catalizadores ambientales a nivel atómico y logrará una alta eficiencia en aplicaciones prácticas".

Autores y Agradecimientos por el Estudio de Comunicaciones de la Naturaleza

Los coautores del estudio estaban viciando al estudiante de doctorado Wei Tan, al erudito postdoctoral Shaohua Xie, al científico investigadorDoctor Duy Le'12y estudiante de doctoradoDave Austin '22MA de la UCF; Weijian Diao de la Universidad de Villanova; Meiyu Wang, Fei Gao y Lin Dong de la Universidad de Nanjing; Ke-Bin Low de BASF Corporation; Sampyo Hong del Colegio Brewton-Parker; y Lu Ma y Steven Ehrlich de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), Laboratorio Nacional de Brookhaven.

El estudio fue apoyado con fondos de la subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Fondo de inicio (Liu) de UCF. Xie recibió el apoyo parcial del programa de posdoctorado preeminente de la UCF.

Oportunidades de licencia

La invención del catalizador de baja temperatura está disponible para licencia. Comuníquese con Raju Nagaiah en la Oficina de Transferencia de Tecnología de la UCF para obtener más información.

Autores y reconocimientos para el estudio de la revista de la American Chemical Society

Los coautores del estudio fueron Shaohua Xie y Kailong Ye de UCF; Liping Liu de Virginia Tech; Chunying Wang, Yaobin Li y Yan Zhang de la Academia de Ciencias de China; Sufeng Cao y Maria Flytzani-Stephanopoulos de la Universidad de Tufts; Weijian Diao de la Universidad de Villanova; Jiguang Deng de la Universidad Tecnológica de Beijing; Wei Tan, estudiante de doctorado visitante en la UCF de la Universidad de Nanjing; y Lu Ma y Steven Ehrlich de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), Laboratorio Nacional de Brookhaven.

El trabajo fue apoyado por el Startup Fund (Liu) de la UCF y el programa Preeminent Postdoctoral (Xie) de la UCF.

Credenciales del investigador

Liu es profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y de la Construcción, parte de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la UCF, y profesor principal en el Clúster de Catálisis para Transformaciones Químicas y de Energía Renovable (REACT) en la UCF. Antes de su nombramiento en UCF, trabajó en BASF Corporation como químico senior desarrollando nuevos conceptos y tecnologías de catalizadores para el control de emisiones de vehículos. Ahora, sus intereses de investigación se centran principalmente en la catálisis heterogénea para el control de la contaminación, la reducción/utilización de gases de efecto invernadero y la conversión de fuentes de energía limpia. Estos temas incluyen catálisis de un solo átomo, síntesis y catálisis de nanomateriales, control de emisiones de automóviles, utilización de CO2 y CH4, producción de H2, etc. capítulos de libros y 41 patentes aplicadas en el campo de la catálisis ambiental.

Rahman es profesor titular y profesor Pegasus en el Departamento de Física, parte de la Facultad de Ciencias de la UCF, y dirige el grupo de profesores en Transformaciones Químicas y Energía Renovable (REACT) en la UCF. Se incorporó a la UCF como cátedra de física en 2006, antes de lo cual fue profesora universitaria distinguida en la Universidad Estatal de Kansas. Sus intereses de investigación están en el diseño computacional de nanomateriales funcionales a través de la comprensión microscópica de sus propiedades físicas y químicas. En UCF, ha liderado el esfuerzo para transformar las instrucciones de pregrado al infundir entornos de aprendizaje activo. Es miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia; la Sociedad Americana de Física; AVS: Ciencia y Tecnología de Materiales, Interfaces y Procesamiento; y la Real Sociedad de Química (Reino Unido). También recibió varios premios profesionales, incluidos los premios de incentivo a la investigación y excelencia de la UCF, la cátedra Miller visitante de la Universidad de California-Berkeley, el premio de investigación Alexander von Humboldt, el premio de investigación Higuchi de la Universidad de Kansas y el premio de la facultad de graduados distinguidos. , Universidad Estatal de Kansas. Ha publicado más de 320 artículos arbitrados, ha sido mentora de más de tres docenas de estudiantes de doctorado y se ha comprometido a promover colaboraciones científicas en países en desarrollo. Su trabajo ha sido citado más de 10.700 veces. También ha estado involucrada en esfuerzos para promover la participación de mujeres y minorías, particularmente a través del programa Bridge de la American Physical Society.