Kemisk billeddannende mikroskop viser korrugeret gamma-aluminiumoxid overflade

(Phys.org) – Hverken glat eller uordnet, gamma-aluminiumoxid nanopartikler er korrugerede med bittesmå porer indeni, ifølge forskere ved Pacific Northwest National Laboratory. Ved hjælp af et kraftigt transmissionselektronmikroskop, holdet opnåede ultrahøj opløsning billeder og kemiske data om partiklens overflade. De fandt ud af, at partiklerne var dækket af kamme lavet af en mere åben, dog symmetrisk, arrangement af atomer. Det åbne arrangement på overfladerne, noteret som (110), dækker 70 % af nanopartiklerne.

Ved at forstå strukturen og funktionen af ​​små gamma-aluminiumoxidpartikler, forskere tager afgørende skridt til at optimere og realisere nye nyttige egenskaber for disse materialer. "Hvis vi kan lære om overfladerne, så kan vi skræddersy dem og gøre dem mere effektive i katalytiske applikationer, " sagde Dr. Libor Kovarik, der ledede billeddannelsesundersøgelsen som en del af PNNLs Chemical Imaging Initiative.

Hvorfor det betyder noget:Reduktion af raffinaderiers energibehov eller bil- og lastbilemissioner kræver effektive katalysatorer på holdbare støttematerialer. Understøtningsmaterialet skal modstå kraftige temperatur- og trykændringer. Gamma-aluminiumoxid er blevet undersøgt grundigt, men dets atomarrangement er ikke blevet etableret på grund af udfordringen med at få et detaljeret billede af dette komplekse materiale. Nøjagtig beskrivelse af atomstrukturen er afgørende for at forstå og udnytte de bedste egenskaber ved gamma-aluminiumoxid.

"Katalytisk forskning kræver denne type state-of-the-art kemisk billeddannelsesforskning, " sagde Dr. Charles Peden, en heterogen katalyseforsker, der arbejdede på undersøgelsen, og en associeret direktør for PNNL's Institute for Integrated Catalysis. "Dr. Kovariks enestående nye billeder fra dette kraftcentermikroskop har givet hidtil uset ny information om et katalysatormateriale af enorm praktisk anvendelighed."

Holdet begyndte med en ny materialesyntesemetode, og et nyt mikroskop til at få billederne og fortolke de tilhørende kemiske data. Med syntesetilgangen, holdet producerede rombeformede partikler af gamma-aluminiumoxid, Al ₂ O ₃ , der var 30 til 50 nanometer på tværs og 10 til 20 nanometer tykke. Holdet besat overfladen af ​​aluminiumoxidpartiklerne med katalytiske platinpartikler i nanostørrelse.

De placerede disse katalysatorpartikler på et gitter og inde i en specialiseret celle. Cellen blev derefter passet ind i et mikroskop, der bruger en stråle af elektroner, frem for lys, for at få billeder. Dette instrument er et sfærisk aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskop med en ringformet mørkfeltdetektor med høj vinkel. Holdet betjente mikroskopet, eller TEM, i to forskellige tilstande, fasekontrast og scanning. På denne måde de opnåede detaljerede tredimensionelle billeder, der kunne skæres op med specialiseret software, hvilket gav helt nye visninger.

"Transmissionselektronmikroskopi er den eneste teknik, der kan give direkte visualisering af dette komplekse materiale. Mens spektroskopi giver et væld af information om det kemiske bindingsmiljø af atomer på disse overflader, kun TEM kan give os et direkte overblik og afsløre de fine strukturelle træk ved materialets overflader, " sagde Kovarik.

Holdet fandt ud af, at overfladen af ​​partiklerne var korrugeret på atomniveau. Overfladen ændres væsentligt under syntesen, med 70 % af den relativt flade overflade, omtalt som (110), bliver til et mere åbent arrangement af korte trekantede fremspring med (111) facetter.

Åbning af TEM-billederne, holdet opdagede porer i de pladelignende partikler. De aflange porer, omkring 2 til 4 nanometer bred, var spredt i hele materialet. Overraskende nok, overfladerne inde i porerne har ikke samme struktur som dem på partiklernes ydre overflader.

"Når du kan se og forstå et komplekst system, du kan generere et tidsgrundlag for at kontrollere det system, " sagde Dr. Louis Terminello, der leder Chemical Imaging Initiative på PNNL.

At se den korrugerede overflade og de aflange porer inde i aluminiumoxidpartiklerne giver forskerne ledetråde til at skræddersy gamma-aluminiumoxid og andre typer katalysatorstøttepartikler. Dette arbejde er en del af en større indsats for at belyse den elektroniske og atomare struktur af katalysatorer og energilagringsmaterialer.