バイメタル触媒表面の動作を観察する

2023年8月31日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

査読済みの出版物

信頼できる情報源

校正する

マックス・プランク協会著

マックス・プランク協会のフリッツ・ハーバー研究所界面科学部門の研究者チームは、「メタノールの合成に必要な反応条件下で、Ga 促進された Cu 表面はどうなるのか?」という問題に取り組みました。 彼らは、触媒活性表面構造に関する一般的な見方を変える可能性がある、この二元金属触媒の複雑な構造変化を発見しました。

CO2 からメタノールへの水素化は、有名な Cu/ZnO/Al2O3 触媒を用いて高圧、つまり 50 ～ 100 bar で高効率で行われます。 ただし、この合成には安全上のリスクと高いエネルギー消費が伴うだけでなく、高い選択性を維持するためにガス供給原料中の CO2 濃度も制限されます。

したがって、低圧メタノール合成用の新しいクラスの触媒は、大気圧で太陽光で生成した水素を使用する小規模装置の将来の開発のためにも非常に望ましい。

最近、Ga を含む金属間化合物および合金が大気圧でも良好な触媒性能を示すことが発見されました。 しかし、主に触媒の表面構造に関する情報が不足しているため、これらの触媒における Ga の促進的な役割はまだほとんど理解されていません。

この点において、反応条件下で明確に定義されたモデル触媒に適用される表面感受性技術を使用した研究は、活性部位、反応中間体、そして最終的には反応機構の動的な性質の理解を助ける重要な情報を提供することができます。

フリッツ・ハーバー研究所の界面科学部門の研究者チームは、実験室ベースの近大気圧X線光電子分光法(NAP-XPS)と走査型トンネル顕微鏡(NAP-STM)を利用して、その場で構造を監視しました。 CO2 水素化反応における Ga-Cu バイメタル表面の化学的進化。

彼らは、温度と圧力に依存してバイメタル表面の合金が除去され、その結果、Cu 表面に埋め込まれた Ga 酸化物の島が形成されることを観察しました。 酸化物相は、最も安定な Ga 酸化物である Ga2O3 に近い化学量論を示しましたが、実際には極薄層を形成します。

Ga のような酸化しやすい金属の促進効果は、バルク酸化物が金属表面上に配置され、対応する反応機構が界面での中間種の波及を伴う構造モデル内でよく議論されます。 今回の研究では、(i) Ga 酸化物が金属表面に埋め込まれていることが明確に実証されました。 (ii) Ga 酸化物アイランドは非常に薄く、おそらく「単層」の厚さです。

反応により金属表面上に極薄の Ga 酸化物層が形成されることは、Ga 含有金属間化合物についても期待されています。 重要なのは、このような二次元酸化膜は、構造と反応性の点でバルクの酸化膜とは大きく異なることです。

したがって、CO2 水素化反応条件下で形成される GaOx/Cu 界面は、これまでこの反応では考慮されていなかった触媒活性サイトを露出させる可能性があります。 このような情報は、粉末触媒の特性評価に一般的に使用されるバルクに敏感な技術を使用して取得することは不可能です。

最近Nature Communications誌に発表されたこの研究結果は、Ga含有触媒系の複雑な表面構造を解明した。