Para ilmuwan menggunakan nanoteknologi untuk meningkatkan kinerja katalis industri kunci

Anonim

Jumlah kecil peregangan atau peregangan dapat menghasilkan peningkatan besar dalam kinerja katalitik, menurut sebuah studi baru yang dipimpin oleh para ilmuwan di Stanford University dan SLAC National Accelerator Laboratory.

Penemuan yang dipublikasikan pada 18 Mei di Nature Communications, berfokus pada katalis industri yang dikenal sebagai cerium oxide, atau ceria, bahan spons yang umum digunakan dalam catalytic converters, self-cleaning oven dan berbagai aplikasi energi-hijau, seperti sel bahan bakar dan air matahari. splitter.

"Ceria menyimpan dan melepaskan oksigen seperlunya, seperti spons, " kata rekan penulis studi, Will Chueh, asisten profesor ilmu dan teknik material di Stanford dan ilmuwan fakultas di SLAC. "Kami menemukan bahwa peregangan dan kompresi ceria oleh beberapa persen secara dramatis meningkatkan kapasitas penyimpanan oksigen. Temuan ini membalikkan kebijaksanaan konvensional tentang bahan oksida dan dapat mengarah pada katalis yang lebih baik."

Konverter katalitik

Ceria telah lama digunakan dalam catalytic converter untuk membantu menghilangkan polutan udara dari sistem pembuangan kendaraan.

"Di dalam mobil Anda, ceria mengambil oksigen dari nitrogen oksida beracun, menciptakan gas nitrogen yang tidak berbahaya, " kata pemimpin penulis studi Chirranjeevi Balaji Gopal, mantan peneliti postdoctoral di Stanford. "Ceria kemudian melepaskan oksigen yang tersimpan dan menggunakannya untuk mengubah karbon monoksida yang mematikan menjadi karbon dioksida jinak."

Penelitian telah menunjukkan bahwa perasan dan peregangan ceria menyebabkan perubahan nano yang mempengaruhi kemampuannya untuk menyimpan oksigen.

"Kapasitas penyimpanan oksigen dari ceria sangat penting untuk keefektifannya sebagai katalis, " kata rekan penulis studi Aleksandra Vojvodic, mantan ilmuwan staf di SLAC sekarang di University of Pennsylvania, yang memimpin aspek komputasi dari pekerjaan ini. "Harapan teoritis berdasarkan penelitian sebelumnya adalah bahwa peregangan ceria akan meningkatkan kapasitasnya untuk menyimpan oksigen, sementara kompresi akan menurunkan kapasitas penyimpanannya."

Untuk menguji prediksi ini, tim peneliti menumbuhkan film ultrathin ceria, masing-masing hanya beberapa nanometer tebal, di atas substrat yang terbuat dari bahan yang berbeda. Proses ini menundukkan ceria untuk menekankan sama dengan 10.000 kali atmosfer Bumi. Stres yang sangat besar ini menyebabkan molekul-molekul ceria untuk berpisah dan memeras jarak kurang dari satu nanometer.

Hasil kejutan

Biasanya, bahan seperti ceria menghilangkan stres dengan membentuk cacat pada film. Namun analisis skala atom mengungkapkan sebuah kejutan.

"Menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi untuk menyelesaikan posisi atom individu, kami menunjukkan bahwa film tetap membentang atau dikompresi tanpa membentuk cacat seperti itu, memungkinkan stres untuk tetap dalam kekuatan penuh, " kata Robert Sinclair, seorang profesor ilmu material dan teknik di Stanford.

Untuk mengukur dampak stres di bawah kondisi operasi dunia nyata, para peneliti menganalisis sampel ceria menggunakan berkas sinar X-ray yang brilian yang diproduksi di Advanced Advanced Technology, Lawrence Berkeley National Laboratory.

Hasilnya bahkan lebih mengejutkan.

"Kami menemukan bahwa film-film tegang menunjukkan peningkatan empat kali lipat dalam kapasitas penyimpanan oksigen dari ceria, " kata Gopal. "Tidak masalah jika kamu meregang atau memadatkannya. Kamu mendapat peningkatan yang sangat mirip."

Teknik stres tinggi yang digunakan oleh tim peneliti siap dicapai melalui nanoengineering, Chueh menambahkan.

"Penemuan ini memiliki implikasi yang signifikan pada bagaimana bahan nanoengineer oksida untuk meningkatkan efisiensi katalitik untuk konversi energi dan penyimpanan, " katanya. "Sangat penting untuk mengembangkan sel bahan bakar oksida padat dan teknologi energi hijau lainnya, termasuk cara-cara baru untuk membuat bahan bakar bersih dari karbon dioksida atau air."

menu
menu