触媒作用の顕微鏡観察により、一部の効果が予測できない理由が明らかに

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小さな金属粒子で構成される触媒は、燃料電池からエネルギー貯蔵用の合成燃料の製造に至るまで、多くの技術分野で重要な役割を果たしています。 ただし、触媒の正確な挙動は多くの細かい点に依存しており、それらの相互作用を理解するのは難しいことがよくあります。 まったく同じ触媒を 2 回調製した場合でも、これら 2 つは微細な点で異なり、したがって化学的に大きく異なる挙動を示すことがよくあります。

ウィーン工科大学では、科学者たちは、いくつかの異なる顕微鏡技術を適用して、これらの触媒のさまざまな場所で起こっている触媒反応を画像化することで、そのような影響の理由を特定しようとしています。 このようなアプローチにより、触媒プロセスの信頼性が高く、顕微鏡的に正確な理解が得られます。

そうすることで、比較的「単純な」触媒システムであっても、予想よりも複雑であることが判明しました。 たとえば、触媒特性を定義するのは、使用される金属粒子のサイズや担体材料の化学的性質だけではありません。 単一の金属粒子内であっても、マイクロメートルスケールでは異なるシナリオが蔓延する可能性があります。 数値シミュレーションと組み合わせることで、さまざまな触媒の挙動を説明し、正確に予測できるようになります。

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「私たちは、触媒としてロジウム粒子を使用することにより、将来のエネルギーキャリアとなる可能性のある水素と酸素の燃焼を研究し、純水を形成します」とウィーン工科大学材料化学研究所のギュンター・ルプレヒター教授は説明します。 このプロセスではさまざまなパラメータが重要な役割を果たします。個々のロジウム粒子の大きさはどれくらいですか? どのサポート材料に結合しますか? 反応はどの温度およびどの反応圧力で起こりますか?

「触媒は担持されたロジウム粒子から作られていますが、過去によく試みられたように、いくつかの単純なパラメータで説明できる均一な物体のようには機能しません」とギュンター・ルプレヒター氏は強調します。 「触媒の挙動は触媒の場所によって大きく異なることがすぐに明らかになりました。特定のロジウム粒子上の特定の領域は触媒的に活性である可能性がありますが、わずか数マイクロメートル離れた別の領域はおそらく触媒的に不活性である可能性があります。そして数分後、状況は逆転することもあったかもしれない。」

この実験のために、権威ある雑誌「ACS Catalysis」に掲載されたこの研究の筆頭著者であるフィリップ・ウィンクラー博士は、異なるサイズの金属粒子とさまざまな担体材料を備えた 9 つの異なる触媒で構成される驚くべき触媒サンプルを準備しました。 したがって、専用の装置では、単一の実験ですべての触媒を同時に観察し、比較することができます。

「当社の顕微鏡を使用すると、触媒が触媒活性であるかどうか、その化学組成と電子的特性を、サンプル上のすべての個々のスポットについて判断できます」とフィリップ・ウィンクラー氏は言います。 「対照的に、従来の方法では通常、サンプル全体の平均値を測定するだけです。しかし、私たちが実証したように、これでは十分ではないことがよくあります。」

顕微鏡スケールでの化学分析により、触媒組成が予想以上に局所的に異なる可能性があることが示されました。個々の金属粒子内でも、強い差異が観察されました。 「担体材料の原子は粒子上または粒子内に移動したり、表面合金を形成したりする可能性があります」とギュンター・ルプレヒター氏は述べています。 「ある時点で、明確な境界さえなくなり、むしろ触媒粒子と担体材料の間で継続的な移行が行われるようになります。この事実を考慮することが重要です。なぜなら、この事実は化学活性にも影響するからです。」

次のステップでは、ウィーン工科大学のチームは、得られた洞察と成功した方法を応用して、さらに複雑な触媒プロセスに取り組み、プロセスを微視的なスケールで説明し、改良された触媒の開発に貢献し、新しい触媒を探します。

参考文献: Winkler P、Raab M、Zeininger J、他。 触媒反応のその場相関顕微鏡法による界面と粒子サイズの影響のイメージング。 ACSカタログ。 2023;13(11):7650-7660。 土井: 10.1021/acscatal.3c00060

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