Учёные обнаружили, что «застрявшее» состояние катализатора повышает его эффективность

Исследователи из Института Фрица Габера выяснили, как структурные изменения на поверхности и внутри катализатора из оксида кобальта (Co₃O₄) влияют на его селективность при производстве таких промышленно важных химикатов, как ацетон. Работа опубликована в Nature Catalysis.

Изменения структуры поверхности наночастиц катализатора, наблюдаемые при изменении температуры. Автор: FHI.

Учёные обнаружили, что метастабильное, структурно «застрявшее» состояние катализатора демонстрирует наивысшую каталитическую активность. Это важное открытие для дизайна катализаторов.

В исследовании изучался значительный промышленный процесс — окисление изопропанола в ацетон с использованием Co₃O₄. Комбинируя операндную рентгеновскую спектроскопию и просвечивающую электронную микроскопию, команда получила глубокое представление о работе катализатора.

Сравнение измерений активности в реакторе с операндными данными о структурных изменениях выявило две фазы активности: ниже и выше 200 °C. При более низкой температуре сеть процессов в твёрдом теле, таких как диффузия и образование дефектов, искажает структуру катализатора. При более высокой температуре доминирует кристаллическое упорядочение.

Интересно, что идеальное сочетание активности и селективности было обнаружено как раз при 200 °C — на границе между двумя фазами. В этом состоянии катализатор можно представить «застрявшим» в переходе между двумя энергетически эквивалентными состояниями.

Результаты исследования бросают вызов традиционному дизайну катализаторов. Стремление к «идеальному, стабильному» кристаллическому катализатору иногда может быть неоптимальным. Авторы показывают, что изменения структуры поверхности критически определяют активность и селективность катализаторов окисления.

Методология работы, сочетающая операндную спектроскопию, микроскопию и измерения активности, задаёт новый стандарт для изучения катализаторов в реалистичных условиях, позволяя уловить динамическое поведение, невидимое при обычном анализе.