Forskere simulerer dynamiske bilemissioner ved hjælp af guldnanopartikler til katalyse

Ved at undersøge små partikler af guld med kraftige røntgenstråler, Forskere håber, at de kan lære at skære ned på de skadelige kulilteudledninger fra motorkøretøjer.

Kulilte er en farveløs, lugtfri og farlig gas produceret af biler, lastbiler og andre køretøjer, der brænder fossile brændstoffer. Udstødningssystemer bruger en katalysator til at ændre denne kulilte til ugiftig kuldioxid, men ifølge U.S. Environmental Protection Agency, brændstofbrændende køretøjer er den største kilde til kulilte-emissioner i atmosfæren, bidrager til overfloden af ​​drivhusgasser i luften.

Forskere over hele verden arbejder på at reducere disse emissioner, og en måde at gøre det på er at lære mere om de kemiske reaktioner, der opstår inde i udstødningssystemet. Disse reaktioner bruger ofte guld som en katalysator. Mens store mængder guld er inaktive, små partikler af det er en aktiv katalysator i oxidationen af ​​kulilte, en reaktion, der ændrer det til kuldioxid.

Aline Passos og Florian Meneau har studeret den reaktion i årevis. Begge arbejder på Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS), Passos som kemiker og Meneau som fysiker. Sammen leder de et forskerhold, der for nylig brugte ultralyse røntgenstråler fra Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory, at belyse små partikler af guld, da de katalyserede en lignende reaktion som den, der sker inde i en bils udstødning. Resultaterne af denne forskning blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"Hvis vi bedre kan forstå, hvordan denne katalyse virker, vi kan optimere og forbedre det, " sagde Passos. "Hvis vi bedre kan konstruere katalysatorerne, vi kan kontrollere eller begrænse kulilte."

Egenskaberne ved denne reaktion er velkendte, Passos og Meneau sagde, men at studere reaktionen af ​​en enkelt lille guldpartikel, mens den gennemgår denne reaktion, er et nyt videnskabeligt område, og kun muligt på grund af teknologien tilgængelig på APS.

For at udføre dette eksperiment, Passos syntetiserede guld nanopartikler, omkring 60 nanometer i diameter. (For skala, et ark papir er omkring 100, 000 nanometer tyk.) Hun konstruerede dem i to former, kugler og terninger, og introducerede nogle kemiske defekter til nogle af partiklerne, ændre atomstrukturen lidt for at se, om det påvirkede den måde, de katalyserede reaktionen på.

"Atomerne i forskellige positioner ændrer sig, og de ændrer de elektroniske og kemiske egenskaber, " sagde Meneau. "Det er velkendt, hvordan man gør dette. Men vi havde kun været i stand til at undersøge katalysestadiet før. Vi har ikke været i stand til at observere, hvad der ændrer sig inde i en enkelt partikel under reaktionen."

For at opnå dette, det brasilianske hold bragte derefter disse partikler til beamline 34-ID-C ved APS, som har specialiseret sig i det, der kaldes "in situ" billeddannelseseksperimenter. Det betyder, at APS-røntgenstrålerne kan bruges til at tage billeder af prøver, mens de undergår reaktioner-ændringer i temperatur, for eksempel, eller øget pres - i realtid. I dette tilfælde, videnskabsmænd brugte guldnanopartiklerne til at oxidere kulilte og fangede ændringerne i partiklernes krystallinske struktur, mens reaktionen foregik.

Wonsuk Cha, en assisterende fysiker med Argonne's X-ray Science Division (XSD) og en medforfatter på papiret, har arbejdet i årevis med in situ -eksperimenter på denne strålelinje. Udfordringen, han siger, har udviklet kamre til de eksperimenter, der er kompatible med billeddannelsesteknikken.

"En af udfordringerne er den lille størrelse af de prøver, vi arbejder med, " sagde han. "Strålestørrelsen er typisk 500 nanometer bred, og vi har perfektioneret teknikker til at overvåge prøvens position i strålen, hvilket gør det muligt for eksperimentet at fortsætte."

Teknikken, der bruges i dette eksperiment, kaldes kohærent røntgendiffraktionsbilleddannelse (CDI), og Ross Harder, en fysiker med XSD, har været hovedudvikler af instrumentering til den teknik i Argonne siden 2008. For CDI -eksperimenter, røntgenstrålen diffrakterer fra prøven og projicerer et mønster af information på en detektor, og computeralgoritmer bruges derefter til at fortolke den information og konstruere et billede ud fra den.

"Vi kan se billeder i nanoskala, som vi ikke kan se med et almindeligt lys, " sagde Harder. "Der er kun en håndfuld lyskilder i verden, der er i stand til at udføre dette eksperiment."

Resultatet, Meneau sagde, er et nyt billede af, hvordan disse nanopartikler oplever katalytiske reaktioner. Billedet, der dukkede op, er et kort over belastningen i partiklen - et mål for formændringen, når prøven udsættes for stress - til hjørnerne og kanterne, viser, at disse dele af nanopartiklerne er mest involveret i katalysen.

Dataene viser også, at stammen kan blive påvirket af inducerede kemiske ændringer, og at identisk formede og store nanopartikler ikke oplever denne reaktion på samme måde. Det betyder, at selve reaktionen potentielt kan ændres på et kemisk niveau ved at ændre katalysatoren.

Selvom prøver af den størrelse, der blev brugt i dette eksperiment, kan virke små, den typiske størrelse for en guldkatalysator i industrielle applikationer er fem nanometer tyk, omkring bredden af ​​to tråde af menneskeligt DNA. Passos og Meneau sagde, at det næste trin for deres forskning er at nedskalere det, med det formål at fange den katalytiske reaktion i mindre og mindre prøver.

Et massivt opgraderingsprojekt i gang ved APS vil give mulighed for denne nedskalering, de sagde, ligesom den nye lyskilde hos LNLS, Sirius, som er planlagt til at gå online i 2021. APS-opgraderingen vil øge lysstyrken og den sammenhængende flux med 100 til 1, 000 gange i forhold til den nuværende APS, hvilket vil forbedre kvaliteten af ​​diffraktionsbilleder.

"Treds nanometer er alt for stort til industrien, Meneau sagde, "men APS-opgraderingen vil lade os undersøge mindre prøver. De nye maskiner kan gøre dette."