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Atomic Structure01:33

Atomic Structure

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Overview
209.3K
Atomic Mass01:52

Atomic Mass

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Atoms — and the protons, neutrons, and electrons that compose them — are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 × 10−23 g. When describing the properties of tiny objects such as atoms, we use appropriately small units of measure, such as the atomic mass unit (amu). The amu was originally defined based on hydrogen, the lightest element, then later in terms of oxygen. Since 1961, it has been defined with regard to the most abundant isotope of carbon, atoms of which...
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Activation Energy01:26

Activation Energy

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Activation energy is the minimum amount of energy necessary for a chemical reaction to move forward. The higher the activation energy, the slower the rate of the reaction. However, adding heat to the reaction will increase the rate, since it causes molecules to move faster and increase the likelihood that molecules will collide. The collision and breaking of bonds represents the uphill phase of a reaction and generates the transition state. The transition state is an unstable high-energy state...
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Atomic Orbitals02:44

Atomic Orbitals

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An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution function indicates the total probability of finding an electron within the thin shell at a distance r from the nucleus. The atomic orbitals have distinct shapes which are determined by l, the angular momentum quantum number. The orbitals are often drawn with a boundary surface, enclosing densest regions of the cloud.
43.9K
Hybridization of Atomic Orbitals I03:24

Hybridization of Atomic Orbitals I

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The mathematical expression known as the wave function, ψ, contains information about each orbital and the wavelike properties of electrons in an isolated atom. When atoms are bound together in a molecule, the wave functions combine to produce new mathematical descriptions that have different shapes. This process of combining the wave functions for atomic orbitals is called hybridization and is mathematically accomplished by the linear combination of atomic orbitals. The new orbitals that...
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The Energies of Atomic Orbitals03:21

The Energies of Atomic Orbitals

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In an atom, the negatively charged electrons are attracted to the positively charged nucleus. In a multielectron atom, electron-electron repulsions are also observed. The attractive and repulsive forces are dependent on the distance between the particles, as well as the sign and magnitude of the charges on the individual particles. When the charges on the particles are opposite, they attract each other. If both particles have the same charge, they repel each other.
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Catalizadores de un solo átomo de Ni para la activación de CO2

Marie-Mathilde Millet1, Gerardo Algara-Siller1, Sabine Wrabetz1

  • 1Department of Inorganic Chemistry , Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft , Faradayweg 4-6 , 14195 Berlin , Germany.

Journal of the American Chemical Society
|January 15, 2019
PubMed
Resumen

Los catalizadores de níquel monoatómico activan el dióxido de carbono (CO2) para la reacción inversa de desplazamiento agua-gas. Sin embargo, los átomos de níquel aislados no pueden hidrogenar más los productos, lo que pone de relieve los límites en la catálisis de un solo átomo para reacciones complejas.

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Área de la Ciencia:

  • Ciencias de los materiales
  • Catálisis
  • Química de las superficies

Sus antecedentes:

  • Los catalizadores de un solo átomo (SAC) ofrecen una reactividad única debido a la utilización máxima del átomo.
  • Comprender el papel de los átomos de metal aislados frente a los grupos es crucial para el diseño del catalizador.
  • La conversión de CO2 es un proceso clave para la captura y utilización del carbono.

Objetivo del estudio:

  • Investigar la actividad catalítica de los catalizadores de un solo átomo de níquel (SAC) para la activación con CO2.
  • Elucidar el mecanismo de reacción e identificar los sitios activos para la conversión de CO2.
  • Evaluar la estabilidad y las limitaciones de los SAC de Ni en las reacciones de hidrogenación con CO2.

Principales métodos:

  • Síntesis de las SAC de Ni mediante solución sólida de Ni2+ en MgO.
  • Caracterización mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microcalorimetría.
  • Modelado computacional mediante cálculos híbridos funcionales.
  • Pruebas catalíticas in situ para la conversión y hidrogenación de CO2.

Principales resultados:

  • Los átomos de Ni ocupan preferentemente sitios de baja coordinación en la superficie de MgO.
  • Los SAC de Ni catalizan eficientemente la conversión de CO2 en CO a través de la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas (rWGS).
  • La tasa de formación de CO muestra una correlación lineal con la concentración de Ni en la superficie.
  • Las SAC de Ni son estables durante más de 100 horas, sin que se observe la formación de racimos de Ni durante la reacción.
  • La hidrogenación de CO2 a CH4 o metanol requiere grupos de Ni, no átomos de Ni aislados.
  • La formación y descomposición de carbonato en la superficie están vinculadas a la agregación de Ni.

Conclusiones:

  • El Ni dispersado atómicamente en MgO actúa como sitios activos para la activación del CO2 y el rWGS.
  • Los átomos de Ni aislados son insuficientes para los pasos de hidrogenación posteriores, lo que indica limitaciones de las SAC para transformaciones complejas.
  • Se ha demostrado la estabilidad de las SAC de Ni, pero la agregación puede ocurrir en condiciones de reacción.
  • Este trabajo proporciona información fundamental sobre los sitios activos de Ni para la utilización de CO2 y los límites de los SAC.