کاهش اندازه‌ی ذرات پلاتین و افزایش فعالیت کاتالیستی آن

وقتی که صحبت از کاتالیست‌های فلزی می‌شود، فلز پلاتین به‌عنوان ماده‌ی مناسب در نظر می‌آید. قیمت این فلز به‌عنوان چالشی در توسعه‌ی پیل‌های خورشیدی به شمار می‌رود. محققان گروه انرژی در آزمایشگاه ملی Lawrence در برکلی، راه حلی برای غلبه بر این مشکل ارائه کرده‌اند.

وقتی که صحبت از کاتالیست‌های فلزی می‌شود،
فلز پلاتین به‌عنوان ماده‌ی مناسب در نظر می‌آید. از آنجا که هر اونس
پلاتین با قیمت ۲۰۰۰ دلار گران‌تر از طلا داد و ستد می‌شود، قیمت این فلز
به‌عنوان چالشی در توسعه‌ی پیل‌‌های خورشیدی به شمار می‌رود. محققان گروه
انرژی در آزمایشگاه ملی Lawrence در برکلی، راه حلی برای غلبه بر این مشکل
ارائه کرده اند.

محققان دریافتند که حضور منواکسید کربن می‌تواند منجر به ایجاد تک‌بلورهایی
در سطوح پلاتین شود که از نظر ترمودینامیکی بسیار پایدارند. در فشار بالا و
در حضور منواکسید کربن بلورهای پلاتین به‌صورت خوشه‌ای پایدار نیستند. این
نانوخوشه‌ها به کمک منواکسید کربن تبدیل به تک‌بلورهایی می‌شوند که بسیار
پایدارند.

 

 
 
Somorjai و همکارانش معتقدند که در فشار
بالا تک‌بلورهای پلاتین با جذب مولکول‌های منواکسید کربن می‌توانند به‌صورت
پایدار وجود داشته باشند. آنها ثابت کردند که با استفاده از این روش می‌توان
به محدودیت‌های رایج در علوم سطح فائق آمدند. در این پروژه، این گروه
تحقیقاتی سطح پلاتین را با گاز منواکسید کربن پوشش دادند، آنها سطح تک‌بلورهای
پلاتین را در فشار بالا آزمایش کردند که در نهایت نوارهایی به عرض ۶ اتم
روی سطح ایجاد شد و فاصله‌ی نوارها از هم نیز در حد چند اتم بود. چنین
ساختارهایی در کاتالیست‌های فلزی رواج دارد که به‌عنوان سایت‌های فعال برای
انجام واکنش به شمار می‌روند؛ بنابراین تک‌بلورها با داشتن این ساختار،
خاصیت کاتالیستی خوبی خواهند داشت. فلز پلاتین یکی از اجزای اصلی در
فرایندهای کاتالیستی صنعتی به‌شمار می‌رود؛ فرایندهایی نظیر Fischer-Tropsch
در تولید هیدروکربن‌های مایع؛ اکسیداسیون در مبدل‌های کاتالیستی خودروها و
پیل‌های سوختی.

زمانی که منواکسید کربن تقریباً تمام سطح را پوشاند، نوار موجود روی سطح
شروع به پهن شدن می‌‌کند که دلیل این امر افزایش نیروی دافعه‌ی موجود میان
مولکول‌هاست. اگر فشار به یک تور برسد، نوارها به شکل خوشه‌های نانومقیاس
درمی‌آیند. با زدودن منواکسید کربن از سطح، نوارها به شکل اصلی خود بازمی‌گردند.

در صنعت از کاتالیست‌ها در فشار بسیار بالا و دمای کم استفاده می‌شود.
سالها بود که دانشمندان علاقه‌مند به بررسی ساختار کاتالیست‌ها در این
شرایط بودند. آنها نمی‌دانستند که ساختار و اتم‌های کاتالیست در چنین شرایط
چه تغییری می‌کنند. Somorjai و همکارانش مدت‌ها در جستجوی روشی برای مطالعه‌ی
این ساختارها بودند و اکنون از روش STM با فشار بالا و AP-XPS برای مطالعه‌ی
ساختار کاتالیست‌ها در شرایط واقعی استفاده می‌کنند. آنها از STM برای
نمایش تشکیل نانوخوشه‌های پلاتین، و از AP-XPS برای نمایش تغییر در انرژی
پیوندی الکترون‌ها در منواکسید کربن استفاده کردند.