Tilslutning af atomoverfladestrukturer af ceriumoxid -nanokrystaller til katalyse

Når det kommer til at reducere de toksiner, der frigives ved at brænde benzin, kul, eller andre sådanne brændstoffer, katalysatoren skal være pålidelig. Endnu, en lovende katalysator, ceriumdioxid (CeO ₂ ), virkede uregelmæssig. Katalysatorens tre forskellige overflader opførte sig forskelligt. For første gang, forskere fik et atomopløst syn på de tre strukturer, herunder placering af tidligere svært synlige iltatomer. Disse oplysninger kan give indsigt i, hvorfor overfladerne har forskellige katalytiske egenskaber.

Løsning af de tre forskellige atomiske overfladestrukturer i CeO ₂ nanopartikler giver indsigt i, hvordan man potentielt styrer nanopartiklernes morfologi for at forbedre katalytisk selektivitet, aktivitet og stabilitet. Denne viden giver mulighed for potentielt at forbedre de katalytiske egenskaber ved CeO ₂ nanopartikler i katalysatorer i køretøjer og andre anvendelser.

Ceriumoxid (CeO ₂ ) nanopartikler bruges meget i kemisk katalyse. Typisk CeO ₂ katalytiske nanopartikler har tre hovedflader udsat:(100), (110) og (111). Tidligere undersøgelser viser, at de forskellige katalytiske egenskaber for hver overflade er tæt forbundet med overfladens atomstruktur. Desværre, forskere havde svært ved at visualisere iltatomerne, der pakker disse overflader. Udfordringen blev overvundet af et team af forskere ved Northwestern University, Oak Ridge National Laboratory, og Argonne National Laboratory. Forskerne bestemte overfladestrukturer ved hjælp af det mest avancerede kromatiske og sfæriske aberrationskorrigerede elektronmikroskop ved Argonne National Laboratory. Mikroskopet muliggør klar billeddannelse af både cerium- og iltatomer.

For overfladen med høj energi (100), tilstedeværelsen af ​​cerium, ilt, og reducerede ceriumoxidafslutninger på den yderste overflade samt de delvist besatte gittersteder i området nær overfladen (~ 1 nm fra overfladen) blev direkte observeret. Den uordnede overflade viser, at den tidligere forståelse af (100) overfladen var forenklet. For (110) overfladen, en kombination af reduceret flad CeO _2-x overfladelag og "savtandlignende" (111) nanofacetter findes. (111) overfladen afsluttes af et iltlag, præcis som forventet fra tidligere modeller, og i overensstemmelse med dens høje stabilitet. Yderligere, overfladestrukturer afledt af mikroskopistudiet er i overensstemmelse med resultaterne fra en makroskopisk infrarød spektroskopiundersøgelse. Variationen i overfladedefektdensitet mellem disse tre facetter synes at være ansvarlig for deres forskelle i katalytisk aktivitet og åbner potentielt muligheder for at ændre ansigter på CeO ₂ nanopartikler til at udvikle ansigtsselektive katalysatorer.