虽然汽车尾气的清洁是催化过程中最着名的应用之一，但它只是冰山一角。实际上，整个化学工业依赖于催化反应。因此，催化剂设计在改进这些过程中起着关键作用。一个国际科学家团队现在已经开发出一个概念，它优雅地关联几何和吸附特性。他们通过设计用于燃料电池应用的新型铂基催化剂来验证他们的方法。
氢将是理想的能源载体：过剩的风能可以将水分解成其元素。氢气可以高效地为燃料电池驱动的电动汽车提供动力。虽然唯一的排气是水，但范围可以和往常一样。但燃料电池汽车仍然是一个罕见的例外。所需的铂(Pt)非常昂贵，世界年产量不足以满足所有汽车的要求。
燃料电池的关键部件是用于减少氧气的铂催化剂。众所周知，不是整个表面而是仅仅少数特别暴露的铂区域，即所谓的活性中心，具有催化活性。
来自慕尼黑技术大学和德国波鸿鲁尔大学，里昂高等师范学院(ENS)，科学中心(CNRS)，法国莱茵大学(法国)和莱顿大学的科学家团队(荷兰)已着手确定什么是活跃的中心。
研究模型
用于开发催化剂和模拟在其表面上发生的过程的常用方法是计算机模拟。但随着原子数量的增加，量子化学计算很快变得非常复杂。
凭借其称为“协调 - 活动图”的新方法，研究团队提出了一种替代解决方案，可优雅地关联几何和吸附特性。它基于“广义协调数”(GCN)，它计算原子的直接邻居及其邻居的协调数。
用新方法计算，典型的Pt(111)表面的GCN值为7.5。根据协调活动图，最佳催化剂应达到8.3的值。例如，通过将原子尺寸的空腔引入铂表面，可以获得所需的更大数量的邻居。
成功的实践测试
为了验证其新方法的准确性，研究人员计算设计了一种用于燃料电池应用的新型铂催化剂。使用三种不同的合成方法通过实验制备模型催化剂。在所有三种情况下，催化剂显示出高达3.5倍的催化活性。
“这项工作为催化剂开发开辟了一条全新的方式：基于几何理论的材料设计比其能量等效物更具洞察力，”Federico Calle-Vallejo说。“该方法的另一个优点是它明确地基于化学的基本原理之一：配位数。这极大地促进了计算设计的实验实施。”
“凭借这些知识，我们可能能够开发含有更少铂或甚至包含其他催化活性金属的纳米粒子，”慕尼黑技术大学终身教授Aliaksandr S. Bandarenka教授说。“将来我们也可以将我们的方法扩展到其他催化剂和工艺中。”
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