Ученые раскрыли механизм контроля химических реакций на поверхности катализаторов

Потенциал-зависимая электрохимически индуцированная реконструкция. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07246

Использование палладиевых (Pd) или платиновых (Pt) катализаторов для электроокисления пропилена предлагает устойчивый путь производства ценных кислородсодержащих органических соединений, применяемых в различных промышленных процессах. Однако причины, по которым эти катализаторы производят разные продукты в зависимости от приложенного потенциала, оставались неясными.

Группа исследователей внесла ясность в этот вопрос в новом исследовании, недавно опубликованном в Journal of the American Chemical Society. Ученые объединили несколько передовых теоретических методов — расчеты теории функционала плотности в большом каноническом ансамбле (DFT), анализ Пурбэ и микрокинетическое моделирование — чтобы отобразить полную сеть реакций электроокисления пропилена. Их результаты показывают, что изменения поверхности электродов из Pd и Pt при рабочих потенциалах определяют, какие продукты образуются.

Можно представить поверхность катализатора как ключ, который меняет форму в зависимости от приложенного напряжения. Для палладиевых электродов увеличение потенциала (0,7–1,4 В относительно водородного электрода) постепенно изменяет поверхность от частично покрытой кислородом металлической Pd до PdO с частичной гидроксилицией.

По мере изменения «формы ключа» открываются различные пути реакций, смещая основной продукт от акролеина к ацетону и пропиленгликолю. В отличие от этого, платиновый электрод сохраняет стабильную поверхность PtO₂ с частичной гидроксилицией во всем изученном диапазоне потенциалов (1,2–1,6 В относительно водородного электрода), стабильно производя пропиленоксид и ацетон.

Сеть реакций для электроокисления пропилена. Изученные промежуточные соединения и элементарные стадии на путях образования PO, PG, акролеина и ацетона при электроокислении пропилена на Pd(111), покрытом 1/3 монослоя O*. Автор: Даньян Ли и др.

Эволюция селективности продуктов электроокисления пропилена в зависимости от приложенного электродного потенциала на палладиевом катализаторе. (a) Спектры XPS Pd 3d электрода Pd/C, записанные ex-situ в N₂-насыщенном H₃PO₄/NaH₂PO₄ электролите. Автор: Даньян Ли и др.

Эта работа разрешает давние вопросы о том, что определяет продукты электроокисления пропилена на Pd и Pt катализаторах. Полученные данные могут направить разработку лучших катализаторов для устойчивого химического производства, подчеркивая важность реконструкции поверхности и переключения активных центров в рабочих условиях.

Исследовательская группа также использовала Цифровую платформу катализа, разработанную лабораторией Хао Ли, для поддержки своих анализов и моделирования.

«Понимание того, как реконструкция поверхности влияет на селективность реакции, похоже на открытие того, как форма ключа контролирует, какие двери он может открыть. С этими знаниями мы можем разрабатывать катализаторы для более эффективного производства целевых химикатов», — сказал Хао Ли (WPI-AIMR, Университет Тохоку), руководивший исследованием.

Дополнительная информация: Даньян Ли и др., Unraveling the Potential-Dependent Selectivity of Propylene Electrooxidation: The Role of Electrochemistry-Induced Reconstruction, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07246

Источник: Университет Тохоку