Forskere bruger nanoteknologi til at øge ydeevnen af ​​vigtige industrielle katalysatorer

En lille smule klem eller strækning kan give et stort løft i den katalytiske ydeevne, ifølge en ny undersøgelse ledet af forskere ved Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory.

Opdagelsen, udgivet 18. maj i Naturkommunikation , fokuserer på en industriel katalysator kendt som ceriumoxid, eller ceria, et svampet materiale, der almindeligvis bruges i katalysatorer, selvrensende ovne og forskellige grøn-energi applikationer, såsom brændselsceller og solvandsdelere.

"Ceria lagrer og frigiver ilt efter behov, som en svamp, " sagde studie medforfatter Will Chueh, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og en fakultetsvidenskabsmand ved SLAC. "Vi opdagede, at strækning og komprimering af ceriumoxid med nogle få procent øger dets iltlagringskapacitet dramatisk. Denne opdagelse vælter konventionel visdom om oxidmaterialer og kan føre til bedre katalysatorer."

Katalysatorer

Ceria har længe været brugt i katalysatorer for at hjælpe med at fjerne luftforurenende stoffer fra køretøjers udstødningssystemer.

"I din bil, ceria fanger ilt fra giftig nitrogenoxid, skabe uskadelig nitrogengas, " sagde studielederforfatter Chirranjeevi Balaji Gopal, en tidligere postdoktorforsker ved Stanford. "Ceria frigiver derefter den lagrede ilt og bruger den til at omdanne dødelig kulilte til godartet kuldioxid."

Undersøgelser har vist, at klemning og strækning af ceria forårsager ændringer i nanoskala, der påvirker dets evne til at lagre ilt.

"Cerias iltlagringskapacitet er afgørende for dets effektivitet som katalysator, " sagde undersøgelsens medforfatter Aleksandra Vojvodic, en tidligere stabsforsker ved SLAC nu ved University of Pennsylvania, der ledede det beregningsmæssige aspekt af dette arbejde. "Den teoretiske forventning baseret på tidligere undersøgelser er, at strækning af ceria ville øge dets kapacitet til at lagre ilt, mens komprimering ville reducere dens lagerkapacitet."

For at teste denne forudsigelse, forskerholdet dyrkede ultratynde film af ceria, hver kun et par nanometer tyk, oven på underlag lavet af forskellige materialer. Denne proces udsatte ceriaet for stress lig med 10, 000 gange Jordens atmosfære. Denne enorme stress fik ceriumoxid-molekylerne til at adskille og presse sammen en afstand på mindre end en nanometer.

Overraskende resultater

Typisk, materialer som ceria lindrer stress ved at danne defekter i filmen. Men atomskala-analyse afslørede en overraskelse.

"Ved brug af højopløsnings-transmissionselektronmikroskopi til at bestemme placeringen af ​​individuelle atomer, vi viste, at filmene forbliver strakte eller komprimerede uden at danne sådanne defekter, lader stressen forblive i fuld kraft, " sagde Robert Sinclair, professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford.

For at måle virkningen af ​​stress under virkelige driftsforhold, forskerne analyserede ceria-prøverne ved hjælp af de strålende stråler af røntgenlys produceret ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source.

Resultaterne var endnu mere overraskende.

"Vi opdagede, at de anstrengte film udviste en firedobling af iltlagringskapaciteten af ​​ceriumoxid, " sagde Gopal. "Det er lige meget, om du strækker det eller komprimerer det. Du får en bemærkelsesværdig lignende stigning."

Den højstress-teknik, som forskerholdet bruger, er let opnåelig gennem nanoingeniørarbejde, Tilføjede Chueh.

"Denne opdagelse har betydelige implikationer for, hvordan man nanoingeniør oxidmaterialer for at forbedre den katalytiske effektivitet til energiomdannelse og lagring, " sagde han. "Det er vigtigt for at udvikle brændselsceller med fast oxid og andre grønne energiteknologier, herunder nye måder at fremstille rent brændstof fra kuldioxid eller vand."