Forskere studerer overfladerne af ceria-nanopartikler

På Karlsruhe Institute of Technology (KIT), forskere har studeret ceria-nanopartikler ved hjælp af probemolekyler og et komplekst ultrahøjt vakuum-infrarødt målesystem og opnået ny indsigt i deres overfladestruktur og kemiske aktivitet. Deres arbejde er rapporteret i tre artikler publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Ceriumoxider, forbindelser af oxygen og sjældne jordarters metal cerium, er blandt de vigtigste oxider til tekniske anvendelser. Ceria bruges hovedsageligt i heterogen katalyse, eksempler er udstødningsgaskatalysatorer af personbiler, fotokatalyse i solceller, vandspaltning, eller nedbrydning af forurenende stoffer. Ceria, som anvendes i katalysatorer, er i form af et pulver. Den består af nanoskalerede partikler med meget kompleks struktur. Særligt arrangement af metal- og oxygenatomerne på overfladen bestemmer de fysiske og kemiske egenskaber af ceriumoxid. Indtil nu, imidlertid, det har været umuligt præcist at analysere de omlejrings- og rekonstruktionsprocesser, der finder sted på overfladen af ​​nanopartiklerne.

Hos KIT, forskere fra Institute of Functional Interfaces (IFG) under ledelse af professor Christof Wöll etableret en ny metode til at studere kemiske egenskaber af oxidoverflader i de seneste år. De brugte små molekyler, såsom kulilte (CO), molekylær oxygen (O2), eller dinitrogenoxid (N2O), som probe molekyler. Disse molekyler binder sig til overfladen af ​​oxidnanopartiklerne. Derefter, forskerne bestemmer vibrationsfrekvenserne for sondemolekylerne. "Denne tilgang har ført til store fremskridt i forståelsen af ​​overfladeegenskaber af ceria nanopartikler, " siger Christof Wöll.

Sammen med forskere fra Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) fra KIT, Humboldt-Universität i Berlin, Universitetet i Udine/Italien, og det polytekniske universitet i Catalonien i Barcelona/Spanien, IFG-forskerne studerede forskellige aspekter af overfladestrukturen og den kemiske aktivitet af ceria-nanopartikler.

Hovedårsagen til de opnåede fremskridt er, at det er lykkedes forskerne at verificere vibrationsfrekvenserne målt for pulverne ved hjælp af målinger med præcist definerede modelstoffer. De anvendte et unikt ultrahøjt vakuum-infrarødt system. Derudover de brugte kvantemekaniske beregninger til at allokere de hidtil ukendte vibrationsbånd for oxidpartiklerne. På denne måde de fik helt ny indsigt i overfladekemien af ​​ceria nanopartikler.

Forskerne beviste, at overfladen af ​​en stangformet ceria-nanopartikel har en række defekter, såsom savtandformede nanofacetter, ilt ledige pladser, hjørner, og kanter. Disse uregelmæssigheder fører sandsynligvis til den høje katalytiske aktivitet af sådanne nanopartikler. Ud over, forskerne fandt ud af, at fotoreaktivitet af ceriumoxid kan forbedres betydeligt ved generering af ilt ledige pladser, dvs. ubesatte iltsteder. En anden undersøgelse gav grundlæggende information om positionen af ​​ilt ledige pladser på forskellige ceria overflader og deres relevans for ilt aktivering. "Baseret på vores resultater, vi kan nu systematisk videreudvikle og optimere ceriumoxid-baserede katalysatorer og fotokatalysatorer i nanoskala, " siger professor Wöll.