Giriş: Imperfection'ın Catalytic Power

Kristal malzemeler endüstriyel katalizdeki işhorları olarak uzun süredir hizmet etti, son iki yılda her şeyi farmasötiklere üreten tepkilere yol açtı - önemli ölçüde kristal sentez hedefi mükemmel, kusursuz lattices, kusurların mühendislik olarak bilinen, yanlış tasarımların temel taşı haline geldi, son iki yılda bir paradigma değişikliği meydana geldi: bilim adamları şimdi de kontrol edilen kusurların - katlanarak, katılaşan bölgelerin -özellikle de organik olarak sınıflandırılması ve istikrarın sağlanması.Bu alan, hata mühendisliği olarak bilinen, gelişmiş bir tasarım parçası haline geldi.

What Is Defect Engineering?

Tanıma mühendisliği, atomların mükemmel periyodik düzenlemesinden dolayı, tek boyutlu (kesinlikle) iki boyutlu (planar kusurları) veya üç boyutlu (hazırda kusurları) iki boyutlu (gömürücü kusurları) kontrol etmek için tasarlanmıştır.Bu kusurların erken saatlerinde, modern kusur mühendisliği onları işlevsel elementler olarak kucaklamaktadır.

Konsept tamamen yeni değildir. On yıllardır, yüksek çözünürlüklü elektrik mikroskobu (STM) ile yarı iletkenler yapmak ve X-ray spektroskopi (XAS) Bu araçlar araştırmacıların görsel ve nicel ölçeklerde hatalarını düzeltmelerine izin verir, hesaplama modellemede bilgilendiriciler elektronik yapıyı ve tepkileri nasıl etkilediğine olanak sağlar.

Defects ve onların Rolleri

Point Defects: The Most Studied Category

Nokta kusurları sadece birkaç atomu etkileyen kristal lattice'de lokalize rahatsızlıklar vardır.Odaları, interstisalleri ve altkuru atomları içerir.Her tür, kataliz için eşsiz aktif siteler oluşturabilir.

  • [FONT:0]Vacancies: [Döneticiler: [Döneticiler: 0,0] · Metal oksitler (CeO2, TiO2, WO3, sper ve oksijen molekülleri gibi bazı siteler, vazozasyonları oluşturmak için genellikle buharlı vacanlar için kaldırıldı.
  • [FONT:0) Teorik varlıklar:[Döneticiler:[Döneticiler) Ekstra Atomik pozisyonların dışsal konumlarını sıkıştırarak, çevredeki lattice'yi tersine çevirebilir ve elektronik özellikleri değiştirebilir. Örneğin, demir tabanlı katalizörler, d-band merkezinde geçici karbon, Fischer-Tropsch sentezlerinde ortasiyonunu artırabilir.
  • [FONT:0)Substitutional kusurları: [Dönetici: 0,3] Dış atomlar yerli lattice atomlarını değiştirir. Bu aslında tırmadır. Altkurutlar elektronik yapıyı değiştirebilir, yeni enerji seviyelerini ortaya çıkarabilir veya lattice susmasını sağlar. Örneğin, karbon materyallerine azotu dahil etmek (N-doped grafiklere) yakıt hücreleri için aktif siteler oluşturur.

Line ve Planar Defects

Diğer nokta kusurları, dislokasyonları (kesinlikler) ve tahıl sınırları (planar kusurları) aynı zamanda atomik uçaklar yanlış olduğu lineer kusurlarıdır.Komoidasyon ve methane aktivasyonları gibi tepkileri geliştirmek için yüzeysel sınırlar oluştururlar; sık sık sık daha yüksek yüzey enerji ve doymamış bağlar sergilemektedirler.

Yüzey Tanımları: Adımlar, Kinks ve Teraslar

Kristal yüzeylerde, adımlar gibi kusurların siteleri, kinks ve adatomlar genellikle bu düşük seviyeli sitelerde, bu düşük seviyeli sitelerin sabit diskoitasyon bariyerlerinden daha güçlü bir şekilde bağlanırlar. Örneğin, platin yüzeyler, elektrooksitsal asitin düz Pt(111) daha aktiftir.

Geliştirilmiş Catalytic Aktivitenin Mekanizmaları

Kediler nedeniyle kedialitik aktivitedeki geliştirme birkaç mekanizmadan ortaya çıkıyor:

  • [FONT:0]Yeni aktif sitelerin Creation of new active sites:) Defects, koordineli atomlar ortaya koyar veya sınırlı alanları (örneğin, vacancy kümeleri) bu tür eylemleri tercih eden adorpsiyon siteleri oluşturur. Örneğin, oksijen vazozisyonları, elektronları reklamlara bağışlayan, kırmızıoks döngülerine bağışlayan, kolaylaştırıcı.
  • [FONT=0) Elektronik yapının güçlendirilmesi:[Dönetici:[Döneticileri değiştir], d-band merkezi (geçici metaller için) veya boşluk devletlerin tanıtılması (sonuçlular için) Bu, ortaların adsorpsikiyatik aktivitenin anahtar tanımlayıcısı olarak değişir. d-band merkezine göre, d-band merkezine daha yakın bir geçiş.
  • [FONT:0) Aktivasyon enerjisinin geri çekilmesi:[Dönetici:0)Redüksiyon enerji bariyerinin azaltılması için sık sık sık hızdaki adımlar için daha düşük aktivasyon engelleri vardır. Örneğin, karbon nitrides'deki azot-vacancy merkezleri oksijen azaltımı için enerji bariyerini azaltır.
  • [FONT:0) Sorumlulukların iyileştirilmesi: [Dönetici: 0,4][/FONT=0)Puttures in TiO2'deki oksijen vazolarının görünür aralığına kadar ışık absürtüğünü ve şarj taşıyıcı ayrılıklarını teşvik etmesi.
  • [FONT:0)Enhanced toplu taşıma:[Dönem:[Dönemli: 1) Bazı durumlarda, kusurları tepki verenlerin ve ürünlerin difüzyonunu kolaylaştıran nano ölçekli kanallar veya göz ardı edilebilir yapılar oluşturur.

Hataların etkisinin her zaman olumlu olmadığını belirtmek önemlidir. Aşırı yetersiz defekt yoğunluğu yapısal bir istikrarsızlıka yol açabilir, şarj rekombinasyona veya makroakonomiye göre toksiktir. Bu nedenle, kusurların konsantrasyonu ve uzaysal dağılımın etkisi kritiktir.

Defect Engineering yöntemleri

Araştırmacılar kristal malzemelerdeki çeşitli hataları tanıtmak ve modüle etmek için çok sayıda teknik cephane geliştirdiler. Yöntem seçimi materyale ve istenen kusur türüne bağlıdır.

Termal Tedaviler

Kontrol edilen atmosferde annelik, vacancies oluşturmak için en basit yollardan biridir. Örneğin, MoS2'deki ısıtma metal oksitleri, H2 veya vakum) oksijen atomlarını kaldırır, oksijen vacancies üretir.

Ion Irradiation

Yüksek enerji iyonları (örneğin, Ar+, He+) yüksek enerjili bir kristalin bombalanması, yarı iletken işlem ve doz ayarlama ile ağır bir şekilde kontrol sağlar.Bu teknik, yarı iletken işlemde ve daha fazla kontrol edici bir şekilde kullanılır.

Kimyasal Doping ve Altkuru

Yabancı elementleri sentez sırasında tanıtılması, alt konut kusurları oluşturmak için ortak bir yoldur. Doping situ (örneğin, Hidrotermal sentez sırasında öncüyü ekleyerek) veya post-synthesis (e.g., ion exchange) oluşturur. Örneğin, Doping Co-MoS aktif siteler, Hidrodesulfurizasyon aktivitesini önemli ölçüde artırabilir.

Mekanik Deformasyon

Ball değirmen veya yüksek basınçlı deformasyon, dislokasyonlar ve tahıl sınırları getirir. Bu yöntem, hatalı metal oksitler veya tabakalı malzemeler üretmek için ölçeklenebilir ve özellikle kullanışlıdır.

Plazma ve Lazer Tedavisi

Düşük sıcaklık plazma tedavisi, örneğin, Ar plazma geçiş metal dichalcogenides'in tedavisi chalcogen vazozisyonlar yaratır. Lazer ablation, yerelleştirilmiş kusurları ve hatta nano-cracks'ı yüzey alanını arttırır.

Elektrokimyasal Yöntemler

Elektrokimyasal azalma veya oksidasyon elektrocatalystlerde hata yaratabilir. Örneğin, bir metal oksit elektrotiğe yönelik potansiyelin azaltılması, oksijen evrimi için elektroalitik aktiviteyi güçlendiren situ'da oksijen vacanzileri üretebilir. Bu yaklaşım, operasyon sırasında dinamik hata mühendisliği için caziptir.

Templating and Etching

Kimyasal etching asit veya üsleri kullanarak bazı kristal yüzlere veya kusurları tercih edebilir, daha aktif siteleri ortaya koyan pitler veya kanallar yaratır. Örneğin, alkalin ve zeolitlerin morforosity ve yüzey kusurları, kediolitik çatlakları geliştirmek.

Defect-Mühendisliklerin Endüstriyel Uygulamaları

Enerji Dönüşümü ve Depolama

Defect mühendisliği, enerji teknolojileri için elektrotiyaliz üzerinde derin bir etkiye sahipti. proton değişim membran yakıt hücreleri (PEMFCs), oksijenli alaşımları (örneğin, Pt3Ni ile oksijen buharlılığı ile) önemli ölçüde daha yüksek aktiviteyi oksijen azaltımı için göstermiştir, gerekli platin yüklemelerini azaltır. Benzer şekilde, Co3O4 gibi defektif metal oksitler, oksijenli membranlar ile sudaki oksijen reaksiyonları için yüksek derecede aktiftir.

Çevre

Otomobil egzozları için katalizörler, katı emisyon standartlarına uygun üç yönlü katalizörlere destek verdi.Ceriaalitik dönüştürücüler oksijen buharlı su arıtma kapasitesi, oksijen buharlı organik kirleticiler ile bağlantılı, hızlı salıverme ve oksijen alma için, defekt-mühendislik konsantrasyonu için, uçucu asitlerin katı emisyon standartlarına uygun şekilde iyileştirilmesine yol açtı.

Kimyasal Synthesis ve Refining

Kimyasal endüstride, hata mühendisliği amonyak sentez için katalizörler geliştirir (Haber-Bosch süreci). Ruthenium katalizörleri, ağır metal destekli etkiler nedeniyle gelişmiş aktiviteyi geliştirirler. Fischer-Tropsch sentezleri için, kontrollü karbon interstiforzitler için daha aktiftir.

İlaç ve Güzel Kimyasal Synthesis

Homojen kataliz genellikle ürün ayrılık sorunlarından muzdariptir, ancak mühendisler tarafından yapılan heterojen katalizörler seçici kusurların seçim kontrolünü sağlayabilir. Örneğin, def-rich palladium nanopartiküller kusurlarının hidrojenasyonunda yüksek oranda tercih eder, toksik olmayan ürünlerden kaçınır.

Meydanlar ve Future Perspektifleri

Stability and Deactivation

Ana zorluklarından biri, beladan oksijenle dolu olabilir. Reaksiyon koşulları altında, kusurların göç edebilir, kriminalize edilebilir veya koruyucu kaplamalar kullanılarak kullanılabilir. Örneğin, oksijen vazoları beslenebilir, aktiviteyi azaltır. Strategies ions (e.g., Zr in ceria) veya koruyucu kaplamaları kullanarak.

Scalable ve Reproducible Synthesis

Birçok hata mühendisliği yöntemi laboratuar ölçeğinde iyi çalışırken, endüstriyel çeviri maliyet-toduvar ve reroducible processes. top değirmen ve termal tedaviler gibi teknikler ölçeklenebilir, ancak büyük toplularda üniforma elde etmek sürekli akış reaktörleri ve makine öğrenimi- kılavuzluk sentezleri yardımcı olabilir.

Operando Koşulları altında Karakterizasyon

Kedililikte hataların nasıl geliştiğini anlamak kritiktir. Operando teknikleri (örneğin, situ XAS, Raman, TEM) dinamik değişiklikler icat edebilir. Ancak, birçok karakterizasyon yöntemi hala yüksek ücretli veya eski situ koşulları gerektirir.

C ⁇ Defects Tasarımı

Mekanik fonksiyonel teori (DFT) ve makine öğrenme modelleri, belirli bir tepki için hangi hataların aktif olacağını tahmin etmek için giderek daha fazla kullanılır. Örneğin, geçiş metal oksitlerdeki nokta hataların yüksek oranda taraması, oksijen evrimi için umut verici adaylar tespit etti. Deneyle birlikte hesaplamak, hata-ered katalizörlerin keşfini hızlandırdı.

Gelişen Yollar

Gelecek araştırma, farklı kusurların sinerjik olduğu multi-defective katalizörleri araştırıyor. Örneğin, oksijen vacanları karbon malzemelerde heteroatom ile birleştiren oksijen buharlarını da ek olarak, ORR ve OER için iki işlevsel katalizör üretebilir., kusurların yarattığı ve yeniden ortaya çıkan faz geçişleri).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Defect mühendisliği, endüstriyel süreçlerde kediolitik aktivitenin geliştirilmesi için güçlü bir strateji geliştirme konusunda merak uyandırdı.Süresel olarak vazozitlerin, kurumlardaki ve genişletilmiş kusurların, bilim adamları yeni aktif siteler, tereyağ elektronik özellikler ve daha düşük enerji bariyerleri oluşturabiliyorlar.Bu yaklaşımın başarısı, çevre remediasyon ve kimyasal sentezlerin ortaya çıkmasını sağlamak için temiz enerji üretimine karşı açık bir şekilde ilerliyor.

[FONT=0)Dönemli Referanslar: [Dönemli: [Dönemli: 1)

  • N. Zhang ve al., "Ticturealler için Metal Oksitler", [[0)Chemical İncelemeler ), 2020.ETHFLT:2.Link).
  • Y. Li ve al., "Oxygen Vacancies in Metal Oksits: En Son Sınıflar", [[Uygunluklar [Uygunlar:0) İleri Malzemeler[Dönem: 1), 2019.
  • J. Kibsgaard et al., "MoS2 Yüzeysel Mikrokiyaliz İçin Yapısını Mühendis", [[0)Doğa Malzemeleri[Dönem: 1), [[Dönem:2Link[Dönetici: 3)
  • J. Sumivich et al., "Peygamber-Evolution Reaction Catalysts" (İngilizce).
  • A. Vojvodic et al., " 21. Yüzyıl için bilgi: Mühendislik ve Öteki" [Üye Olmayanlar İçindekiler:0)ACS Catized).