Tredimensionelt billede af katalysatorer i aktion

For at forstå strukturen og funktionen af ​​katalysatorer i aktion, forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT), i samarbejde med kolleger fra den schweiziske lyskilde SLS fra Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz og European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig, har udviklet et nyt diagnostisk værktøj. Operando røntgenspektroskopi visualiserer strukturen og gradienterne af komplekse tekniske katalysatorer i tre dimensioner, og dermed give os mulighed for at se nærmere på fungerende kemiske reaktorer. Resultaterne er rapporteret i Naturkatalyse .

Katalyse er uundværlig for mange grene. 95% af alle kemikalier fremstilles ved hjælp af katalysatorer. Katalysatorer spiller også en central rolle inden for energiteknologier og miljøbeskyttelse. Katalysatorer er materialer, der bruges til at fremskynde kemiske reaktioner for at reducere energiforbruget og uønskede biprodukter. Dette kemisk-fysiske princip er grundlaget for hele systemer, eksempler er katalysatorer i biler eller katalysatorer i kraftværker for at fjerne forurenende stoffer fra deres udstødning. Tekniske og industrielle katalysatorer anvendes også i gødning og polymerproduktion. Tit, de skal udvise høj trykbestandighed og mekanisk styrke, samtidig med at den fungerer under dynamiske miljøforhold. Selv den mindste effektivitet øges ved fjernelse af forurenende stoffer, såsom kulilte, nitrogenoxider, og fint støv, fra udstødningsgasser eller ved produktion af grønt brint vil medføre store fordele for mennesker og miljø. For at forbedre eksisterende katalytiske materialer og processer, imidlertid, nøjagtig forståelse af deres funktion er påkrævet. "Uanset om det er i en stor kemisk reaktor, i et batteri, eller under din bil - tekniske og industrielle katalysatorer har ofte en meget kompleks struktur, "siger Dr. Thomas Sheppard fra Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) i KIT." For virkelig at forstå, hvordan disse materialer fungerer, vi skal kigge inde i reaktoren, når katalysatoren fungerer, ideelt med et analyseværktøj til at detektere den komplekse 3D-struktur af den aktive katalysator. "

Operando røntgenspektroskopi Giver 3D-billeder og større kemisk information

Thomas Sheppard ledede en undersøgelse af bilkatalysatorer, hvis resultater nu er rapporteret i Naturkatalyse af de involverede forskere fra KIT, PSI, og ESRF. Til deres studier, teamet brugte en nyudviklet opsætning og udførte tomografieksperimenter på synkrotronstrålingsfaciliteter i Schweiz og Frankrig. Computertomografi producerer 3D-billeder af en prøve, herunder eksteriør og interiør, uden at skulle skære den op. Ved at bruge en særlig reaktor, forskerne udførte tomografi og røntgenspektroskopi for at spore en aktiv katalytisk proces. På denne måde, det lykkedes dem at observere 3D-strukturen i en emissionskontrolkatalysator under forhold ligesom dem i en rigtig biludstødning. Denne såkaldte operando røntgenspektroskopi giver ikke kun prøvens 3D-struktur, men også vigtig kemisk information.

Metode egnet til forskellige katalysatorer

"Da katalysatorer ofte har en ret kompleks og uensartet struktur, det er vigtigt at vide, om hele katalysatorvolumenet eller kun dele af det udfører deres kemiske funktion efter hensigten, "forklarer Johannes Becher fra ITCP, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. "Operando røntgenspektroskopi lader os se den specifikke struktur og funktion af hvert enkelt stykke. Dette fortæller os, om katalysatoren fungerer med maksimal effektivitet eller ej, og vigtigere, det hjælper os med at forstå de underliggende processer. "Under reaktionen, holdet observerede en strukturel gradient af de aktive kobberarter i katalysatoren, som ikke tidligere kunne påvises ved hjælp af konventionelle analyseværktøjer. Dette er vigtig diagnostisk information i udførelsen af ​​emissionskontrolkatalysatorer. Selve metoden kan anvendes på mange forskellige katalysatorer og kemiske processer.

Nye muligheder for materialer og reaktionsdiagnostik

Teamets undersøgelser viser, hvordan visualisering af den kemiske tilstand af en aktiv katalysator i 3D kan bringe nye muligheder for materialer og reaktionsdiagnostik. "Indtil nu, det var ikke muligt frit at vælge et stykke af en fungerende katalysator og forstå, hvilke reaktioner der finder sted der uden at forstyrre det. Nu, vi kan følge nøjagtigt hvilke reaktioner der forekommer, hvor, og hvorfor, "siger professor Jan-Dierk Grunwaldt fra ITCP." Dette er nøglen til at forbedre vores forståelse af kemiske processer og designe bedre og mere effektive katalysatorer i fremtiden. "Undersøgelser ved hjælp af operando røntgenspektroskopi kan udføres ved forskellige synkrotronstrålingskilder, forudsat at der findes et passende prøvemiljø. Grupperne Jan-Dierk Grunwaldt og Thomas Sheppard vil fortsætte deres undersøgelser som en del af det nye Collaborative Research Center TrackAct på KIT. TrackAct har til formål at forstå og forbedre designet og effektiviteten af ​​emissionskontrolkatalysatorer.