Kanter og hjørner øger effektiviteten af ​​katalysatorer

Katalysatorer til rengøring af udstødningsemissioner er mere effektive, når de bruger nanopartikler med mange kanter. Dette er et af resultaterne af en undersøgelse udført ved DESYs røntgenkilde PETRA III. Et team af forskere fra DESY NanoLab så live, da skadeligt kulilte blev omdannet til almindeligt kuldioxid på overfladen af ​​ædelmetal -nanopartikler som dem, der bruges i katalysatorer af biler. Forskerne præsenterer deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Deres resultater tyder på, at et stort antal kanter øger effektiviteten af ​​katalytiske reaktioner, da nanopartiklernes forskellige facetter ofte er dækket af voksende øer af et nanooxid, endelig gør disse facetter inaktive. I kanterne, oxidøerne kan ikke forbinde, efterlader aktive steder til den katalytiske reaktion.

Katalysatorer bruger normalt nanopartikler, fordi disse har et langt større overfladeareal for en given mængde af materialet, hvorpå den katalytiske reaktion kan finde sted. For undersøgelsen præsenteret her, forskerne ved DESY's NanoLab voksede platin-rhodium-nanopartikler på et substrat på en sådan måde, at stort set alle partiklerne var på linje i samme retning og havde samme form som afkortede oktaedroner (oktaedroner ligner dobbeltpyramider). Forskerne undersøgte derefter de katalytiske egenskaber ved denne prøve under de typiske arbejdsbetingelser for en bilkatalysator, med forskellige gasformige sammensætninger i et reaktionskammer, der blev udsat for intense røntgenstråler fra PETRA III på P09-strålelinjen.

Effektiviteten af ​​katalytiske materialer kan måles ved hjælp af et massespektrometer, der afslører andelen af ​​visse typer molekyler i udstødningsemissionerne, her er de relative koncentrationer af kulilte, ilt og kuldioxid. "Vi udfører en slags emissionstest på nanopartiklerne, "forklarer Uta Hejral, den første forfatter til papiret, arbejder nu på Lund University i Sverige. På grund af nanopartiklernes parallelle justering, forskerne var også i stand til at bestemme de overflader af nanopartiklerne, hvorpå reaktionen gik særligt godt. "Her kan vi virkelig følge reaktionen i atomskala, ”Påpeger Hejral.

Normalt, ædelmetal -nanopartiklerne i en bils katalysator er fastgjort til små krummer af substrat, som hænger sammen og danner komplekse strukturer. "Disse er vanskelige at undersøge ved hjælp af røntgenstråler, fordi ædelmetallerne kun tegner sig for få vægtprocent og især fordi nanopartiklerne er justeret i alle mulige forskellige retninger, "forklarer Andreas Stierle, som er hovedforsker ved DESY og professor i nanovidenskab ved University of Hamburg. "Under røntgenbelysning, hver partikel producerer et separat diffraktionsmønster, og disse overlapper hinanden for at skabe et sløret billede. Ved at have dem justeret parallelt med hinanden, på den anden side, diffraktionsmønstrene for alle nanopartikler overlejres og forstærker hinanden. Dette tillader de forskellige facetter af nanopartiklerne, med andre ord deres individuelle overflader, skal identificeres og observeres specifikt. "

Undersøgelsen viste, at nanopartiklernes reaktivitet stiger kraftigt ved en bestemt iltkoncentration. "Dette sker, når der er tilstrækkelig ilt til at oxidere hvert kulilte -molekyle og omdanne det til kuldioxid, "siger Stierle. Ud over den koncentration, reaktiviteten falder gradvist igen, fordi der vokser et tykt oxidlag på overfladen af ​​partiklerne, hæmmer reaktionen. Røntgenanalysen afslører atomstrukturen af ​​nanopartiklernes overflade med den bedste opløsning endnu under de betingelser, hvor reaktionen finder sted. Dette viser, at når en bestemt iltkoncentration er overskredet, nanopartiklernes forskellige krystalflader bliver belagt med en oxygen-rhodium-ilt sandwich, indtil metaloverfladen til sidst er fuldstændig dækket af dette nanooxidlag.

"Overfladeoxidet danner til sidst et lukket lag over nanopartiklerne, "rapporterer Hejral." Dette er først ugunstigt for den ønskede reaktion, fordi det gør det svært for kulilte -molekyler at fastgøre sig til overfladen. Imidlertid, iltet er ude af stand til at danne en lukket film langs kanterne mellem nanopartiklernes flader, hvilket betyder, at reaktiviteten langs kanterne er højere. "Dette fund tyder på en direkte vej til at gøre katalysatorer mere effektive:" Vi ville forvente, at katalysatorer blev mere og mere effektive, jo flere kanter nanopartiklerne har for et givet overfladeareal, "siger Stierle. Dette fund kan sandsynligvis også anvendes på mange andre katalytiske reaktioner. Yderligere undersøgelser skal vise, hvor meget effektiviteten kan øges som følge heraf.

DESY er et af verdens førende partikelacceleratorcentre. Forskere bruger de store faciliteter på DESY til at udforske mikrokosmos i al sin variation - lige fra interaktion mellem små elementarpartikler til opførsel af innovative nanomaterialer og de vitale processer, der finder sted mellem biomolekyler til universets store mysterier. De acceleratorer og detektorer, som DESY udvikler og bygger på sine lokationer i Hamburg og Zeuthen, er unikke forskningsværktøjer. DESY er medlem af Helmholtz Association, og modtager sin finansiering fra det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) (90 procent) og de tyske forbundsstater Hamburg og Brandenburg (10 procent).