Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials под заголовком "Revealing Catalyst Restructuring and Composition During Nitrate Electroreduction through Correlated Operando Microscopy and Spectroscopy", совершило прорыв в понимании поведения катализаторов. Команда исследователей из Института науки об интерфейсах им. Фрица Габера Общества Макса Планка и Гельмгольц-Центра Берлин под руководством доктора Си Ви Чи (See Wee Chee) и профессора Беатрис Ролдан (Beatriz Roldán) обнаружила, что катализаторы, в частности кубические пре-катализаторы Cu2O, не всегда ведут себя так, как предполагалось ранее.
Традиционно считалось, что катализаторы, вещества, ускоряющие химические реакции, быстро переходят в свое активное металлическое состояние под воздействием электрического потенциала. Однако, результаты нового исследования показывают, что это предположение ошибочно. Изучая процесс электрохимического восстановления нитратов, ученые обнаружили, что пре-катализаторы Cu2O длительное время могут существовать в виде смеси различных фаз, таких как металлический Cu, оксид Cu и гидроксид Cu.
Это открытие имеет огромное значение для разработки более эффективных катализаторов, особенно для производства аммиака. Производство аммиака, важного компонента удобрений, в настоящее время осуществляется с помощью промышленного процесса Габера-Боша. Этот процесс требует высоких температур (450-550 °C) и давления (150 бар), что приводит к значительным выбросам углекислого газа, так как для производства водорода используются ископаемые виды топлива. Поэтому поиск альтернативных способов синтеза аммиака является важной задачей.
Исследование процесса восстановления нитратов, которое может быть использовано для переработки отходов в аммиак, стало возможным благодаря использованию передовых методов наблюдения. Команда использовала многомодальный подход, объединяющий рентгеновскую микроскопию/спектроскопию и рамановскую спектроскопию. Эти методы позволили им наблюдать за изменениями химического состава катализатора в реальном времени, что ранее было недоступно.
Полученные данные показали, что состав и форма катализатора в процессе реакции зависят от нескольких факторов: электрического потенциала, химического окружения и продолжительности реакции. Это подчеркивает сложность процессов, происходящих на поверхности катализатора, и необходимость учитывать эти факторы при разработке новых каталитических материалов.
Открытие того, что катализатор может находиться в различных фазах, а не только в активной металлической форме, имеет важное значение. Это означает, что предыдущие стратегии оптимизации процесса восстановления нитратов для производства аммиака, основанные на ошибочном предположении о том, что катализаторы всегда находятся в своей наиболее благоприятной форме во время реакции, были неточными.
Знание о существовании различных форм катализатора поможет разработать более эффективные катализаторы для производства аммиака, а также для других химических процессов. Понимание механизмов изменения структуры катализаторов в процессе их работы позволит ученым создавать материалы с заданными свойствами, способными эффективно работать в конкретных условиях.
Таким образом, данное исследование не только опровергло ранее существовавшее мнение о поведении катализаторов, но и открыло новые перспективы для их дизайна и применения, в том числе для решения глобальных проблем, связанных с производством удобрений и сокращением выбросов парниковых газов. Наблюдение за химическими изменениями в реальном времени является ключевым для понимания каталитических процессов и разработки более эффективных и экологически чистых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционно считалось, что катализаторы, вещества, ускоряющие химические реакции, быстро переходят в свое активное металлическое состояние под воздействием электрического потенциала. Однако, результаты нового исследования показывают, что это предположение ошибочно. Изучая процесс электрохимического восстановления нитратов, ученые обнаружили, что пре-катализаторы Cu2O длительное время могут существовать в виде смеси различных фаз, таких как металлический Cu, оксид Cu и гидроксид Cu.
Это открытие имеет огромное значение для разработки более эффективных катализаторов, особенно для производства аммиака. Производство аммиака, важного компонента удобрений, в настоящее время осуществляется с помощью промышленного процесса Габера-Боша. Этот процесс требует высоких температур (450-550 °C) и давления (150 бар), что приводит к значительным выбросам углекислого газа, так как для производства водорода используются ископаемые виды топлива. Поэтому поиск альтернативных способов синтеза аммиака является важной задачей.
Исследование процесса восстановления нитратов, которое может быть использовано для переработки отходов в аммиак, стало возможным благодаря использованию передовых методов наблюдения. Команда использовала многомодальный подход, объединяющий рентгеновскую микроскопию/спектроскопию и рамановскую спектроскопию. Эти методы позволили им наблюдать за изменениями химического состава катализатора в реальном времени, что ранее было недоступно.
Полученные данные показали, что состав и форма катализатора в процессе реакции зависят от нескольких факторов: электрического потенциала, химического окружения и продолжительности реакции. Это подчеркивает сложность процессов, происходящих на поверхности катализатора, и необходимость учитывать эти факторы при разработке новых каталитических материалов.
Открытие того, что катализатор может находиться в различных фазах, а не только в активной металлической форме, имеет важное значение. Это означает, что предыдущие стратегии оптимизации процесса восстановления нитратов для производства аммиака, основанные на ошибочном предположении о том, что катализаторы всегда находятся в своей наиболее благоприятной форме во время реакции, были неточными.
Знание о существовании различных форм катализатора поможет разработать более эффективные катализаторы для производства аммиака, а также для других химических процессов. Понимание механизмов изменения структуры катализаторов в процессе их работы позволит ученым создавать материалы с заданными свойствами, способными эффективно работать в конкретных условиях.
Таким образом, данное исследование не только опровергло ранее существовавшее мнение о поведении катализаторов, но и открыло новые перспективы для их дизайна и применения, в том числе для решения глобальных проблем, связанных с производством удобрений и сокращением выбросов парниковых газов. Наблюдение за химическими изменениями в реальном времени является ключевым для понимания каталитических процессов и разработки более эффективных и экологически чистых технологий.
