Bahnbrechendes neues Instrument wird Fortschritte in der Katalyse vorantreiben

Automatisierte Analysemethode zur Beschleunigung des Entdeckungsprozesses bei Einzelatomkatalysatoren

14.01.2025

Forscher des SLAC und der University of California, Davis, haben eine Software entwickelt, mit der sich quantitativere Informationen über die aktive Stelle eines Einzelatomkatalysators ermitteln lassen. MS-QuantEXAFS berechnet den prozentualen Anteil von Platinatomen und Platinnanopartikeln auf einem einatomigen Katalysator und hilft den Forschern bei der Suche nach einem Zusammenhang zwischen der Struktur und der Aktivität des Katalysators.

Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Seit Jahrzehnten sind Katalysatoren die unbesungenen Helden des täglichen Lebens. Diese Arbeitstiere wandeln ein Ausgangsmaterial in ein Produkt oder einen Brennstoff mit geringerem Energieaufwand um, wie die Hefe beim Brotbacken und die vom Menschen hergestellten Katalysatoren zur effizienteren und nachhaltigeren Umwandlung von Rohstoffen in Brennstoffe. Eine vielversprechende Klasse dieser hilfreichen Substanzen, die so genannten Einzelatomkatalysatoren, ist aufgetaucht, und die Forscher brauchen neue Methoden, um sie besser zu verstehen. Genauer gesagt wollen sie wissen, wie die Struktur der Stellen, an denen chemische Reaktionen stattfinden, die so genannten aktiven Stellen, die Fähigkeit des Katalysators beeinflusst, die chemische Reaktionsgeschwindigkeit, die so genannte Aktivität, zu beschleunigen.

In einem wichtigen Schritt nach vorn haben Forscher der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums mit einem Team der University of California, Davis (UC Davis), zusammengearbeitet, um ein neues Software-Tool zu entwickeln, das im Vergleich zu den derzeitigen Methoden in viel kürzerer Zeit mehr quantitative Details über die Struktur der aktiven Stellen in Einzelatomkatalysatoren liefern kann. Die Ergebnisse wurden in Chemistry-Methods veröffentlicht.

Normalerweise verwendet ein Katalysator einen inerten Träger, um nanometergroße Cluster von Metallatomen oder Metallnanopartikel zu stabilisieren. Während der Katalyse fungieren nur die Oberflächenatome als aktive Stellen, während die Atome im Inneren des Nanopartikels ungenutzt bleiben. Um die Nutzung jedes einzelnen Metallatoms zu maximieren, kamen die Forscher auf eine vielversprechende Idee: Einzelatomkatalysatoren, bei denen einzelne Metallatome auf dem Träger verteilt sind.

Um diese Katalysatoren zu entwerfen und zu entwickeln, müssen die Forscher die Struktur der aktiven Stellen verstehen, damit sie diese mit der Aktivität in Verbindung bringen können. Um mehr über die Struktur zu erfahren, verwendete das Team einzelne Platinatome, die auf einem Magnesiumoxidträger stabilisiert sind, als Fallstudie für ähnliche Einzelatomkatalysatoren. Die Hauptautorin der Studie, Rachita Rana, die vor kurzem an der UC Davis promoviert hat, nutzte eine Technik namens EXAFS-Spektroskopie (Extended X-ray Absorption Fine Structure), die die durchschnittliche Umgebung des Atoms im aktiven Zentrum aufzeigt, z. B. die Anzahl und den Abstand der Nachbaratome. Bei EXAFS-Daten werten die Forscher üblicherweise Dutzende bis Hunderte von Strukturkandidaten aus, bevor sie die am besten geeignete auswählen. Rana schlug stattdessen vor, den Analyseprozess zu automatisieren, indem er theoretische Berechnungen, die so genannte Dichtefunktionaltheorie, mit EXAFS kombiniert. Die erste Version der Software, QuantEXAFS, bestimmte die Struktur für eine Art von Atom, in diesem Fall Platinatome.

In der Realität bestehen Katalysatoren in der Regel sowohl aus einzelnen Atomen als auch aus Nanopartikeln. Aufbauend auf QuantEXAFS erweiterte Rana die Möglichkeiten des Codes, um die Anteile dieser beiden Formen zu bestimmen und so genauere Informationen über die Struktur zu erhalten. "MS-QuantEXAFS hilft nicht nur bei der Identifizierung der aktiven Stellen, sondern quantifiziert auch den Prozentsatz einer bestimmten Stelle und automatisiert den gesamten Prozess der Datenanalyse", sagte sie. "Wenn man dies manuell macht, kann es von einigen Tagen bis zu Monaten dauern. Mit MS-QuantEXAFS kann man diese Analyse möglicherweise über Nacht auf einem lokalen Computer durchführen."

Als nächstes möchte das Team MS-QuantEXAFS vorbereiten und der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung stellen. "Dieses Werkzeug hat Katalyseforschern viel zu bieten", so Rana. Mitautor und Distinguished Scientist am SSRL, Simon R. Bare, stimmt dem zu und fügt hinzu, dass sie auch planen, es in die Ausbildung einzubeziehen, insbesondere für die nächste Generation von Studenten.

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Originalveröffentlichung

Rachita Rana, Jiyun Hong, Adam S. Hoffman, Baraa Werghi, Simon R. Bare, Ambarish R. Kulkarni; "Quantifying the Site Heterogeneities of Non‐Uniform Catalysts Using QuantEXAFS"; Chemistry–Methods, Volume 5, 2024-11-21

https://www.analytica-world.com/de/news/1185306/bahnbrechendes-neues-instrument-wird-fortschritte-in-der-katalyse-vorantreiben.html