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Aug 06, 2023

UCFの研究者は触媒コンバーター内の貴金属の量を削減するために取り組んでいます

Metalli preziosi come platino, palladio e rodio nei catalizzatori

触媒コンバーターに含まれるプラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属は、車両装置を窃盗犯にとって魅力的なものにしていますが、セントラルフロリダ大学の研究者らは、触媒コンバーターに必要な貴金属の量を単一原子まで削減しながら、触媒コンバーターに必要な貴金属の量を最大化することに取り組んでいます。それらの有効性。

1970 年代にアメリカの自動車に広く導入された触媒コンバーターは、貴金属を触媒として使用し、内燃機関の排気ガスから致命的で有害な化学物質を除去します。 貴金属の価格が上昇し続けるにつれて、触媒コンバーターの盗難の数も増加しています。

Nature Communications と Journal of the American Chemical Society に掲載された最近の研究で、UCF の研究者らはそれぞれ、原子状プラチナを使用して汚染物質を制御し、システムを低温で動作させることができることを示しました。これは、車両の最初の走行時に有害な化学物質を除去するために重要です。が始まります。

プラチナ原子の位置を微調整する

Nature Communications の研究では、土木・環境・建設工学科の助教授 Fudong Liu と物理学科のペガサス教授である Talat Rahman が率いる UCF 研究チームが、異なる原子配位環境を持つ白金単一原子の構築に成功しました。セリアの特定の場所にあります。 セリアは、触媒反応性能の向上に役立つ金属酸化物です。

Liu と Rahman は、再生可能エネルギーと化学変換の触媒クラスター (REACT) にも所属しています。

研究者らによると、プラチナ原子は、ディーゼルエンジンの排気後処理システムにおける一酸化炭素の酸化やアンモニアの酸化などの触媒反応において、著しく異なる挙動を示したという。

酸化により、致死性の一酸化炭素は二酸化炭素に、有害なアンモニアは窒素と水分子に変換されます。

彼らの結果は、シンプルで産業規模に拡張可能な戦略を通じて局所配位構造を最適化することで、標的反応における単一原子触媒の触媒性能を最大化できることを示唆している、とLiu氏は言う。

「電子構造計算と最先端の実験を組み合わせることで、Liu チームと Rahman チームは、環境とエネルギー関連の両方のニーズに応える高効率の単一原子触媒の設計において、不均一系触媒コミュニティに大きな利益をもたらす画期的な進歩を遂げました。」と Liu 氏は述べています。と言う。

「私たちは、白金単原子の局所配位環境を選択的に微調整して、さまざまな標的反応において満足のいく触媒性能を達成する簡単な戦略の開発に成功しました。これにより、単原子触媒の理解が大きく前進することになります。」と彼は言います。

ラーマン氏は、彼らの共同研究は、理論と実験が連携して機能することで、触媒活性と選択性の向上に関与する微細なメカニズムがどのように明らかにされるかを実証していると述べています。

効率的な一酸化炭素酸化触媒

Journal of the American Chemical Societyの研究では、Liu氏とバージニア工科大学および北京理工大学の共同研究者らは、白金-セリア-アルミナ触媒の一酸化炭素浄化効率を、通常使用されている白金触媒と比較して3.5～70倍大幅に向上させた。

彼らは、工業的に入手可能なセリアアルミナ担体上で白金の配位構造を原子レベルで正確に制御することによってこれを実現した。

「触媒内の活性部位の局所構造がその触媒性能を決定します」とLiu氏は言う。 「しかし、不均一触媒分野では、活性部位の局所配位構造の正確な制御と固有の構造と性能の関係の解明が大きな課題となっています。」

「私たちは、金属サ​​イトの局所配位構造を原子レベルで制御し、環境浄化関連反応における高効率触媒を開発し、将来の触媒設計の指針となる新たに作製した触媒の構造と性能の関係を明らかにすることに取り組んできました。」と言う。

Liu氏と彼のチームは、表面欠陥強化戦略を用いて、セリア-アルミナ担体上で正確に制御された局所配位環境を備えた白金原子単層および白金単原子構造の作製に成功したことを報告した。

主要な共著者の一人である北京理工大学のYue Lu氏は、高角度環状暗視野走査型透過電子顕微鏡を用いて、100%の金属露出を示す白金原子単層構造と白金単原子構造体が埋め込まれているのを直接観察した。セリア格子またはセリア表面に吸着されます。

埋め込まれた白金原子単層サイトは一酸化炭素の浄化効率が最も高く、吸着した白金原子単層サイトの3.5倍、白金単原子サイトの10〜70倍でした。

バージニア工科大学のHongliang Xin氏の研究グループと共同で、研究チームは実験面と理論面の両方から、ユニークな埋め込まれた白金原子単層構造が界面酸素種の活性化を促進し、それによって低温での一酸化炭素の酸化に利益をもたらす可能性があると結論づけた。

この研究は、環境触媒コミュニティが、対象となる環境用途向けに金属利用効率が 100% のより活性な金属触媒をより適切に設計するのに役立つため、非常に重要であると Liu 氏は述べています。

「私たちは、放出制御関連反応における金属単原子、原子単層、クラスターサイトの構造を制御して利用する方法と、実験的および理論的シミュレーションアプローチの両方を使用してそれらの構造と性能の関係を理解する方法を示しました」とLiu氏は述べています。 「これにより、原子レベルでの将来の環境触媒設計への道が開かれ、実用化で高い効率が達成されるでしょう。」

Nature Communications Study の著者と謝辞

研究の共著者は、博士課程学生のWei Tan氏、博士研究員のXie Shaohua氏、研究科学者でした。デュイ・ル'12PhDそして博士課程の学生デイブ・オースティン '22MA UCFから。 ヴィラノバ大学のWeijian Diao氏。 南京大学のMeiyu Wang、Fei Gao、Lin Dong。 BASF 社の Ke-Bin Low。 ブリュートン・パーカー大学出身のサンピョ・ホン。 ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源 II (NSLS-II) の Lu Ma 氏と Steven Ehrlich 氏。

この研究は、米国国立科学財団の助成金とUCFのスタートアップ基金（Liu）からの資金提供によって支援されました。 Xie は、UCF の優れた博士研究員プログラムによって部分的に支援されました。

ライセンス取得の機会

低温触媒の発明はライセンス可能です。 詳細については、UCF 技術移転局の Raju Nagaiah にお問い合わせください。

Journal of the American Chemical Society Study の著者と謝辞

研究の共著者はUCFのShaohua Xie氏とKailong Ye氏でした。 バージニア工科大学のLiping Liu。 中国科学院のChunying Wang、Yaobin Li、Yan Zhang。 タフツ大学のSufeng Cao氏とMaria Flytzani-Stephanopoulos氏。 ヴィラノバ大学のWeijian Diao氏。 北京理工大学のJiguang Deng氏。 ウェイ・タン、南京大学からUCFの客員博士課程学生。 ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源 II (NSLS-II) の Lu Ma 氏と Steven Ehrlich 氏。

この研究は、UCF の Startup Fund (Liu) と UCF の卓越した博士研究員プログラム (Xie) によって支援されました。

研究者の資格情報

Liu は、UCF の工学およびコンピュータ サイエンス学部の一部である土木、環境、建設工学科の助教授であり、UCF の再生可能エネルギーと化学変換のための触媒クラスター (REACT) の中心教員です。 UCF に就任する前は、BASF 社で上級化学者として自動車排出ガス制御のための新しいコンセプトと触媒技術を開発していました。 現在、彼の研究対象は主に、汚染防止、温室効果ガスの削減/利用、クリーン エネルギー源変換のための不均一系触媒に焦点を当てています。 これらのトピックには、単一原子の触媒作用、ナノ材料の合成と触媒作用、自動車の排出ガス制御、CO2 と CH4 の利用、H2 の生成などが含まれます。Liu は 9,200 以上の引用と 48 の H-index (Google Scholar) を含む 121 件の査読論文を発表しています (Google Scholar)。本の章を作成し、環境触媒分野で 41 件の特許を申請しました。

ラーマン氏は、UCF 科学部の物理学科の理事長教授およびペガサス教授であり、UCF の再生可能エネルギーと化学変換 (REACT) の教員集団を率いています。 彼女は 2006 年に物理学長として UCF に加わり、それ以前はカンザス州立大学の特別教授を務めていました。 彼女の研究対象は、機能性ナノ材料の物理的および化学的特性の微視的な理解によるコンピュータによる設計です。 UCF では、アクティブな学習環境を導入することで学部の指導を変革する取り組みを主導してきました。 彼女は米国科学振興協会の会員です。 アメリカ物理学会。 AVS: 材料、界面、および処理の科学と技術。 および王立化学会（英国）。 彼女はまた、UCF からの研究奨励賞および優秀賞、カリフォルニア大学バークレー校からのミラー客員教授、アレクサンダー・フォン・フンボルト研究賞、カンザス大学からの樋口研究賞、および優秀大学院教授賞など、いくつかの専門的な賞を受賞しています。 、カンザス州立大学。 彼女は 320 を超える査読付き論文を発表し、30 人を超える博士課程の学生を指導し、発展途上国での科学協力の促進に従事してきました。 彼女の作品は 10,700 回以上引用されています。 彼女はまた、特に米国物理学会のブリッジ プログラムを通じて、女性や少数派の参加を促進する取り組みにも携わってきました。