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1970년대 미국 차량에 널리 도입된 촉매 변환기는 귀금속을 촉매로 사용하여 연소 엔진 배기가스에서 치명적이고 유해한 화학 물질을 제거하는 데 도움을 줍니다. 귀금속 가격이 계속 오르면서 촉매 변환기 도난 사건도 늘어나고 있습니다.
최근에 발표된 연구에서는 네이처커뮤니케이션즈 그리고 미국 화학 학회지, UCF 연구원들은 각각 원자 백금을 사용하여 오염 물질을 제어하고 시스템을 더 낮은 온도에서 작동할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이는 차량이 처음 시동될 때 유해한 화학 물질을 제거하는 데 중요합니다.
백금 원자 위치 미세 조정
에서 네이처커뮤니케이션즈 토목환경건설공학과 조교수인 Fudong Liu와 물리학과의 저명한 페가수스 교수인 Talat Rahman이 이끄는 UCF 연구팀은 특정 위치에서 서로 다른 원자 배위 환경을 갖는 백금 단일 원자를 성공적으로 구축했습니다. 세리아. 세리아는 촉매 반응 성능을 향상시키는 데 도움이 되는 금속 산화물입니다.
Liu와 Rahman은 REACT(재생 에너지 및 화학 변환을 위한 촉매 클러스터)에도 참여하고 있습니다.
백금 원자는 디젤 엔진 배기가스 후처리 시스템에서 일산화탄소 산화 및 암모니아 산화와 같은 촉매 반응에서 놀랍도록 뚜렷한 거동을 보였다고 연구진은 말했습니다.
산화는 치명적인 일산화탄소를 이산화탄소로, 유해한 암모니아를 질소와 물 분자로 변환합니다.
그들의 결과는 단순하고 산업적으로 확장 가능한 전략을 통해 국지적 배위 구조를 최적화함으로써 표적 반응에서 단일 원자 촉매의 촉매 성능이 최대화될 수 있음을 시사한다고 Liu는 말했습니다.
'전자 구조 계산과 최첨단 실험을 결합함으로써 Liu와 Rahman 팀은 환경 및 에너지 관련 요구 사항 모두를 위한 고효율 단일 원자 촉매를 설계하는 데 있어 이종 촉매 커뮤니티에 큰 도움이 될 수 있는 획기적인 발전을 이루었습니다. '라고 류는 말한다.
'우리는 다양한 표적 반응에서 만족스러운 촉매 성능을 달성하기 위해 백금 단일 원자의 국소 배위 환경을 선택적으로 미세 조정하는 손쉬운 전략을 성공적으로 개발했습니다. 이는 단일 원자 촉매 작용에 대한 이해를 중요한 진전으로 이끌 것입니다.' 말한다.
Rahman은 그들의 공동 작업이 이론과 실험이 함께 작동하여 어떻게 촉매 활성과 선택성을 향상시키는 역할을 하는 미세한 메커니즘을 밝힐 수 있는지를 보여준다고 말했습니다.
효율적인 일산화탄소 산화 촉매
에서 미국 화학 학회지 버지니아 공과대학과 베이징 공과대학의 Liu 연구진은 백금-세리아-알루미나 촉매의 일산화탄소 정화 효율을 일반적으로 사용되는 백금 촉매에 비해 3.5~70배까지 크게 향상시켰습니다.
그들은 산업적으로 이용 가능한 세리아-알루미나 지지체에서 원자 수준에서 백금의 배위 구조를 정밀하게 제어함으로써 이를 수행했습니다.
촉매 내 활성 부위의 국소 구조가 촉매 성능을 결정합니다'라고 Liu는 말합니다. '그러나 활성 부위의 국소 조정 구조를 정밀하게 제어하고 고유 구조-성능 관계를 규명하는 것은 이종 촉매 분야에서 큰 과제입니다.\
'우리는 원자 수준에서 금속 부위의 국소 배위 구조를 제어하고, 환경 정화 관련 반응에서 고효율 촉매를 개발하고, 미래 촉매 설계를 안내하기 위해 새로 제조된 촉매의 구조-성능 관계를 밝히기 위해 노력해 왔습니다. '라고 그는 말한다.
Liu와 그의 팀은 표면 결함 강화 전략을 사용하여 세리아-알루미나 지지체에서 정밀하게 제어된 국지적 조정 환경을 갖춘 백금 원자 단일층 및 백금 단일 원자 구조를 성공적으로 제작했다고 보고했습니다.
주요 공동저자 중 한 명인 베이징 기술대학교 Yue Lu는 고각 환상 암시야 주사 투과 전자 현미경을 사용하여 100% 금속 노출을 나타내는 백금 원자 단일층 및 백금 단일 원자 구조가 매립되어 있음을 직접 관찰했습니다. 세리아 격자 또는 세리아 표면에 흡착됩니다.
내장된 백금 원자 단일층 사이트는 흡착된 백금 원자 단일층 사이트에 비해 3.5배, 백금 단일 원자 사이트에 비해 10~70배에 달하는 일산화탄소 정화 효율이 가장 높았다.
실험적, 이론적 측면 모두에서 Virginia Tech의 Hongliang Xin 연구 그룹과 협력하여 팀은 고유한 내장형 백금 원자 단일층 구조가 계면 산소 종의 활성화를 촉진하여 저온에서 일산화탄소 산화에 도움이 될 수 있다는 결론을 내렸습니다.
이 작업은 환경 촉매 커뮤니티가 목표 환경 적용을 위해 100% 금속 활용 효율성을 갖춘 보다 활성인 금속 촉매를 더 잘 설계하는 데 도움이 될 것이기 때문에 매우 중요하다고 Liu는 말했습니다.
'우리는 방출 제어 관련 반응에서 금속 단일 원자, 원자 단일층 및 클러스터 사이트의 구조를 제어하고 활용하는 방법과 실험적 및 이론적 시뮬레이션 접근 방식을 모두 사용하여 구조-성능 관계를 이해하는 방법을 보여주었습니다.' Liu 말한다. '이것은 원자 수준에서 미래 환경 촉매 설계의 길을 열어주고 실제 응용 분야에서 높은 효율성을 달성할 것입니다.'