Найден «идеальный размер» кластеров родия для создания эффективных и перерабатываемых катализаторов
Автор: ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c04353
Новое исследование показало, что кластер родия (Rh) оптимального, промежуточного размера — не слишком маленький и не слишком большой — демонстрирует наивысшую каталитическую активность в реакциях гидроформилирования. Подобно концепции поиска «идеального» баланса, исследование определяет этот так называемый «идеальный размер» как решающий для максимизации эффективности катализатора. Исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis и было представлено в качестве обложки номера.
Под руководством профессора Кванджина Ан из Школы энергетики и химического машиностроения UNIST в сотрудничестве с профессором Чон Ву Ханом из Сеульского национального университета, исследование демонстрирует, что когда родий существует в виде кластера, состоящего примерно из 10 атомов, он превосходит как одноатомные, так и наночастичные формы по скорости реакции и активности.
Гидроформилирование — это жизненно важный промышленный процесс, используемый для производства сырья для пластиков, моющих средств и других химикатов. В настоящее время многие катализаторы на основе родия являются гомогенными — растворенными в жидкостях — что усложняет их разделение и переработку. Эта проблема стимулировала усилия по разработке твердых, гетерогенных катализаторов родия, которые легче извлекать и использовать повторно.
Размер частиц родия давно признан ключевым фактором, влияющим на каталитическую производительность. Преобладало предположение, что одноатомные катализаторы, где отдельные атомы родия равномерно распределены, будут наиболее эффективными, поскольку они максимизируют количество активных центров на поверхности.
Однако это исследование ставит данное предположение под сомнение. Команда обнаружила, что кластеры родия — агрегаты примерно из десяти атомов — предлагают замечательное сочетание высокой активности и стабильности. Нанесенные на оксид алюминия (Al₂O₃), эти кластеры продемонстрировали значительно улучшенные каталитические характеристики.
Приготовив катализаторы с различной загрузкой родия (от 0,05% до 5% по массе), исследователи получили разные типы катализаторов — одноатомные, кластерные и наночастичные — и проанализировали их поведение с помощью комбинации лабораторных экспериментов и теоретических расчетов.
Результаты показали, что улучшенная производительность проистекает из того, как эти кластеры взаимодействуют с монооксидом углерода (CO), ключевым реагентом в гидроформилировании. Лимитирующей стадией является внедрение CO в промежуточное соединение, и кластеры родия попадают в «золотую середину», связывая CO достаточно сильно, чтобы облегчить этот этап, но не препятствуя последующим реакциям. В отличие от них, одноатомные катализаторы связывают CO слишком прочно, блокируя процесс, в то время как наночастицы связывают CO слишком слабо, ограничивая реакционную способность.
Это исследование дает ценное представление о том, как размер катализатора и его электронные свойства влияют на пути реакции. Оно закладывает прочную основу для проектирования стабильных, высокопроизводительных твердых катализаторов родия, которые оптимизируют взаимодействие металл-носитель, редокс-стабильность и целостность кластера.
0 комментариев