Legeringssammensætninger kan påvirke partiklernes elektroniske tilstande

Et forskerhold bestående af NIMS, Kyoto University og Oita University-grupper målte for første gang med succes de elektroniske tilstande af legerede nanopartikler bestående af rhodium (Rh) og kobber (Cu), der udviser lignende katalytiske aktiviteter ved forskellige Rh-til-Cu-forhold. Nanopartiklerne tjener som katalysator for udstødningsgasrensning.

Et forskerhold har for første gang med succes målt de elektroniske tilstande af Rh-Cu-legeringsnanopartikler (NP'er), der udviser lignende katalytiske aktiviteter ved forskellige Rh-til-Cu-forhold (efter antal atomer). Nanopartiklerne tjener som katalysator for udstødningsgasrensning. Resultaterne indikerede, at det er vanskeligt at korrelere NP'ers elektroniske tilstande med deres katalytiske aktiviteter. Mere detaljeret analyse af forholdet mellem disse to variabler kan føre til opdagelsen af ​​nye metoder til at gøre legerede NP'er lige så effektive katalytisk som rene Rh NP'er. Disse metoder er muligvis ikke baseret på matchning af legerings NP elektroniske tilstande med rene Rh NP'er.

Det sjældne grundstof Rh er en lovende katalysator til rensning af udstødningsgasser fra biler og andre kilder. Imidlertid, fordi Rh er en meget værdifuld ressource, dets brug skal minimeres. Kitagawas gruppe ved Kyoto Universitet har tidligere haft held med at syntetisere Rh-Cu legerings NP'er, hvilket er umuligt at opnå ved brug af bulkmaterialer. Nagaokas gruppe ved Oita University bekræftede, at disse legerede NP'er er i stand til at tjene som en katalysator for udstødningsgasrensning ved at oxidere udstødningsgaskomponenter såsom CO og NOx. Deres katalytiske evne var sammenlignelig med rene Rh NP'er, og aftog ikke med faldende Rh-indhold. Det var generelt blevet antaget, at ændring af sammensætningen af ​​legerede NP'er også ville ændre deres elektroniske tilstande, og at deres katalytiske aktiviteter var tæt forbundet med deres elektroniske tilstande. Baseret på disse antagelser, mange materialeforskere havde været interesseret i at studere de elektroniske tilstande af Rh-Cu legerede NP'er. Tekniske problemer gjorde en sådan undersøgelse vanskelig at gennemføre i virkeligheden. For nylig, Sakatas gruppe på NIMS målte for første gang de elektroniske tilstande af Rh-Cu-legerings-NP'er ved forskellige Rh-til-Cu-forhold.

Det er meget vanskeligt nøjagtigt at evaluere de elektroniske tilstande af NP'er ved hjælp af fotoelektronspektroskopi, der anvender lavenergi (bløde) røntgenstråler. Dette skyldes, at NP-overflader er belagt med et beskyttende materiale for at forhindre, at de klumper sig sammen. For at overvinde dette problem, vi tog fotoelektronspektroskopimålinger af NP'erne ved NIMS's beamline placeret i verdens største synkrotronstrålingsanlæg (SPring-8). Faciliteten gjorde det muligt for os at indsamle elektroniske tilstandsdata fra hele NP'erne ved hjælp af højenergi (hårde) røntgenstråler, der er i stand til at trænge ind i det beskyttende ydre lagmateriale. Vi undersøgte de elektroniske tilstande (oxidationstilstande) af to typer af Rh-Cu legerede NP'er:NP'er med et højere (ca. 80%) Rh og sammenligneligt Rh:Cu (ca. 50%) indhold. Lignende oxidationstilstande blev fundet i NP'er med det højere Rh-indhold og i rene Rh NP'er. På den anden side, NP'er med det sammenlignelige Rh:Cu-forhold havde en lavere andel af Rh(3-δ)+ i en oxidationstilstand og højere Rh0 end den for NP'erne med det højere Rh-indhold og havde en højere andel af Cu2+ i en oxidationstilstand.

Disse resultater indikerer, at mere detaljerede evalueringer af elektrontilstande er afgørende for skabelsen af ​​nye katalytiske og andre funktionelle materialer. I fremtiden, vi planlægger at udføre en teoretisk undersøgelse af forholdet mellem NP'ers katalytiske aktiviteter og deres elektroniske tilstande. Ud over, at fremskynde skabelsen af ​​nye funktionelle materialer, vi vil fremme udviklingen af ​​materialeinformatik ved at levere vores data om de elektroniske strukturer og atomarrangementer af legerede NP'er og forskellige andre materialer.

Denne forskning blev støttet af MEXT's Nanotechnology Platform Japan-program, og JSTs ACCEL-projekt med titlen "Skabelse af innovative funktioner af intelligente materialer på basis af elementstrategi" (professor Hiroshi Kitagawa, forskningsteamleder).

Denne undersøgelse blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter den 25. januar, 2017.