29.2 C
Jakarta

Ahli Kimia Menemukan Bagaimana Katalis Platinum Merakit dan Membongkar Sendiri

Published:

Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa atom platinum (bola emas) pada cerium oksida (permukaan merah dan perak/hitam) dapat berkumpul menjadi nanokatalis aktif dalam kondisi reaksi dan kemudian dibongkar ketika didinginkan sebelum digunakan kembali. Kredit: Valerie Lentz/Laboratorium Nasional Brookhaven

Kombinasi teknik mengungkapkan bagaimana katalis nanopartikel terbentuk dari atom individu selama operasi dan kemudian terurai untuk didaur ulang.

Para peneliti di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS dan Universitas Stony Brook, bersama dengan mitra mereka, telah membuat penemuan signifikan mengenai perakitan reversibel dan pembongkaran katalis platinum. Wawasan baru ini dapat memberikan informasi tentang stabilitas katalis dan potensi untuk digunakan kembali. Studi terbaru mereka, yang diterbitkan dalam jurnal Nanoscale, mengeksplorasi bagaimana atom platinum individu pada basis cerium oksida berkumpul untuk membentuk nanopartikel katalitik aktif selama reaksi. Menariknya, partikel-partikel ini kemudian pecah ketika reaksi berhenti.

Fragmentasi mungkin terdengar buruk, namun para ilmuwan mengatakan hal ini bisa menjadi sebuah nilai tambah.

“Fragmentasi reversibel nanokatalis platinum pada cerium oksida berpotensi berguna untuk mengendalikan stabilitas katalis jangka panjang,” kata Anatoly Frenkel, ahli kimia di Brookhaven Lab dan profesor di SBU yang memimpin penelitian.

Ketika atom platina kembali ke posisi awalnya, atom tersebut dapat digunakan kembali untuk membuat kembali partikel katalitik aktif. Ditambah lagi, fragmentasi pasca-reaksi membuat partikel-partikel aktif tersebut semakin kecil kemungkinannya untuk menyatu secara ireversibel, yang merupakan mekanisme umum yang pada akhirnya menonaktifkan banyak katalis nanopartikel.

“Bagian dari definisi katalis adalah membantu membongkar dan menyusun kembali molekul-molekul yang bereaksi untuk membentuk produk baru,” kata Frenkel. “Tetapi sungguh mengejutkan melihat katalis yang juga merakit dan membongkar dirinya sendiri dalam prosesnya.”

Perakitan/pembongkaran

Makalah ini menjelaskan bagaimana para ilmuwan mengamati pembentukan nanopartikel sebagai atom platinum tunggal yang berkumpul pada permukaan cerium oksida pada suhu 572 derajat. Fahrenheit (300 derajat Celsius) — suhu reaksi yang mereka pelajari.

“Setelah reaksi, kami berharap nanopartikel ini akan stabil kembali pada suhu kamar, berapa pun ukuran partikel yang mereka capai saat diaktifkan,” kata Frenkel. “Tetapi yang kami amati adalah proses sebaliknya. Partikel-partikel itu mulai terfragmentasi menjadi atom-atom tunggal lagi.”

Skema yang menunjukkan bagaimana atom platina tunggal (Pt SA) pada permukaan cerium oksida berkumpul pada suhu tinggi (T) untuk menjadi partikel nanokatalis aktif (NC). Pada suhu tinggi, katalis mengubah hidrogen (H2) dan karbon dioksida (CO2) menjadi air (H2O) dan karbon monoksida (CO). Setelah pendinginan, partikel nanokatalis terurai menjadi atom platinum tunggal yang dapat diaktifkan kembali dan digunakan kembali. Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven

Tim mempunyai hipotesis untuk menjelaskan apa yang mereka lihat, yang dikonfirmasi oleh perhitungan termodinamika yang dilakukan oleh rekan teori di Universitas Nasional Chungnam di Korea. Karbon monoksida, salah satu produk reaksi – sering dianggap sebagai “racun” bagi katalis – secara aktif merobek nanopartikel.

“Molekul karbon monoksida memiliki interaksi tolak menolak yang sangat kuat ketika mereka bersebelahan,” jelas Frenkel. Selama reaksi “pergeseran gas air terbalik”, yang mengubah karbon dioksida (CO2) dan hidrogen (H2) menjadi karbon monoksida (CO) dan air (H2O) pada suhu tinggi, CO biasanya meninggalkan permukaan katalis dalam bentuk gas. Namun begitu panasnya dimatikan, molekul CO berikatan kuat dengan atom platina katalis. Hal ini membuat molekul CO lebih dekat satu sama lain saat sistem mendingin dan jumlahnya meningkat.

“Itu adalah badai yang sempurna,” kata Frenkel.

“Ketika molekul CO berada sangat berdekatan pada permukaan nanopartikel, mereka akan saling tolak menolak. Dan, ketika mereka tolak-menolak, karena mereka terikat kuat pada atom platinum, mereka menarik atom platinum yang ikatannya paling lemah dari perimeter nanopartikel dan menyeretnya ke penyangga cerium oksida,” kata Frenkel.

Pencitraan multimodal

Para ilmuwan menggunakan kombinasi teknik spektroskopi dan pencitraan tingkat atom untuk melakukan pengamatan ini.

Salah satu teknik menggunakan sinar-X terang pada garis sinar Penyerapan dan Hamburan sinar-x Cepat dari National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II) untuk menghasilkan spektrum energi yang diserap oleh atom-atom yang membentuk katalis. Para ilmuwan menggunakan teknik ini untuk mempelajari katalis pada suhu dan tahapan reaksi yang berbeda. Spektrum serapan sinar-X ini sangat dipengaruhi oleh keadaan elektronik atom dan dapat digunakan untuk menguraikan atom mana yang berada di dekatnya.

“Teknik ini dapat memberi tahu kita bahwa atom platina memiliki tetangga oksigen dari partikel cerium oksida pendukung katalis, tetangga karbon monoksida dari produk reaksi, atau tetangga logam lainnya – lebih banyak atom platinum,” kata Frenkel. Tapi itu “menggabungkan informasi dari banyak atom platinum dan hanya memberikan informasi rata-rata,” katanya.

“Ia tidak dapat memberi tahu kita apakah semua atom platina mempunyai lingkungan yang sama atau apakah kita mempunyai kelompok atom yang berbeda – sebagian tersebar pada penyangga dan sebagian lagi berada dalam nanopartikel. Kami membutuhkan alat tambahan untuk mengungkap kemungkinan-kemungkinan tersebut,” katanya.

Spektroskopi inframerah, yang dilakukan di laboratorium Frenkel’s Structure and Dynamics of Applied Nanomaterials (SDAN) di Divisi Kimia Lab Brookhaven, mengungkapkan keberadaan dua kelompok berbeda—atom tunggal tanpa tetangga logam dan nanopartikel yang hanya terbuat dari platina. Para ilmuwan menggunakan teknik ini untuk melacak kelimpahan relatif masing-masing kelompok seiring berjalannya reaksi.

“Teknik ini memberi tahu kita bagaimana molekul seperti CO berinteraksi dengan atom platinum kita. Apakah mereka hanya menunjukkan ciri-ciri atom tunggal atau nanopartikel saja, atau keduanya?” kata Frenkel. “Selama pendinginan setelah reaksi, kami mengamati bahwa CO kembali berinteraksi dengan atom tunggal.”

Mikroskop elektron, dilakukan oleh Lihua Zhang dari Center for Functional Nanomaterials (CFN) Brookhaven, menghasilkan skala nano gambar keduanya jenis — atom tunggal dan nanopartikel. Gambar-gambar ini menunjukkan bahwa, pada suhu kamar sebelum katalis diaktifkan, tidak ada nanopartikel, dan setelah reaksi, “kami melihat nanopartikel dan atom tunggal,” kata Frenkel.

“Teknik-teknik ini memberi tahu kita bahwa, ketika reaksi berhenti dan suhu turun, nanopartikel mulai terfragmentasi menjadi atom tunggal,” kata Frenkel. “Setiap pengukuran secara independen tidak akan memberi kita cukup data untuk memahami apa yang sedang kita hadapi. Kami tidak dapat melakukan pekerjaan ini tanpa kolaborator kami di NSLS-II dan CFN dan tanpa kemampuan di fasilitas pengguna DOE Office of Science ini.”

Perubahan dan kekacauan

Memahami perbedaan-perbedaan ini pada tahapan reaksi sangat penting untuk memahami cara kerja katalis, kata Frenkel.

“Dalam percobaan kami, kami sengaja beralih dari satu ekstrem ke ekstrem lainnya. Kami beralih dari hanya atom tunggal menjadi nanopartikel saja. Dalam prosesnya, kami membuat mereka hidup berdampingan di fraksi yang berbeda sehingga kami dapat menyelidiki secara sistematis bagaimana aktivitas katalitik berubah, bagaimana strukturnya berubah,” katanya.

Frenkel mencatat bahwa nanopartikel tidak berkumpul dengan sempurna. Mereka memiliki lebih banyak cacat – situs atom tidak beraturan – dibandingkan dengan nanopartikel yang disintesis dengan metode yang umum digunakan. Cacat ini bisa menjadi fitur lain yang meningkatkan kinerja katalitik. Itu karena ketidakteraturan, atau regangan, dapat berkontribusi pada penyelarasan tingkat elektronik reaktan kimia dan atom logam dalam katalis sehingga mereka dapat berinteraksi lebih mudah, jelasnya.

“Orang-orang sengaja mencoba merancang katalis dengan ketidaksempurnaan seperti ini; metode kami menggabungkan strain secara alami,” katanya.

Selain itu, karena struktur yang relatif tidak teratur ini, nanopartikel yang tersusun dari atom tunggal mungkin tidak terikat erat seperti susunan atom yang sempurna. Hal ini dapat memudahkan mereka untuk dibongkar untuk digunakan kembali ketika reaksi dimatikan.

Referensi: “Mengungkap asal usul agregasi dan fragmentasi katalis Pt yang tersebar secara atom pada dukungan ceria” oleh Haodong Wang, Hyuk Choi, Ryuichi Shimogawa, Yuanyuan Li, Lihua Zhang, Hyun You Kim dan Anatoly I. Frenkel, 15 Mei 2024 , Skala nano.
DOI: 10.1039/D4NR01396D

Pekerjaan ini didanai oleh DOE Office of Science dan National Research Foundation of Korea. Selain memanfaatkan kemampuan di NSLS-II dan CFN, para ilmuwan menggunakan sumber daya komputasi di Scientific Data and Computing Center, sebuah komponen dari Computational Science Initiative di Brookhaven Lab.



Related articles

Recent articles

spot_img