En hidtil uset visning af en enkelt katalysator-nanopartikel på arbejde

Et DESY-ledet forskerhold har brugt højintensive røntgenstråler til at observere en enkelt katalysatornanopartikel i arbejde. Forsøget har for første gang afsløret, hvordan den kemiske sammensætning af overfladen af ​​en individuel nanopartikel ændrer sig under reaktionsbetingelser, gør det mere aktivt. Holdet ledet af DESYs Andreas Stierle præsenterer sine resultater i journalen Videnskabens fremskridt . Denne undersøgelse markerer et vigtigt skridt mod en bedre forståelse af virkelige, industrielle katalytiske materialer.

Katalysatorer er materialer, der fremmer kemiske reaktioner uden at blive forbrugt selv. I dag, katalysatorer bruges i adskillige industrielle processer, fra gødningsproduktion til fremstilling af plast. På grund af dette, katalysatorer er af enorm økonomisk betydning. Et meget kendt eksempel er katalysatoren installeret i bilers udstødningssystem. Disse indeholder ædle metaller som platin, rhodium og palladium, som tillader meget giftig kulilte (CO) at blive omdannet til kuldioxid (CO ₂ ) og reducere mængden af ​​skadelige nitrogenoxider (NO _x ).

"På trods af deres udbredte brug og store betydning, vi er stadig uvidende om mange vigtige detaljer om, hvordan de forskellige katalysatorer virker, " forklarer Stierle, leder af DESY NanoLab. "Det er derfor, vi længe har ønsket at studere rigtige katalysatorer, mens de er i drift." Det er ikke nemt, fordi for at gøre den aktive overflade så stor som muligt, katalysatorer bruges typisk i form af bittesmå nanopartikler, og de ændringer, der påvirker deres aktivitet, sker på deres overflade.

Overfladebelastning relaterer sig til kemisk sammensætning

Inden for rammerne af EU-projektet Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), teamet fra DESY NanoLab har udviklet en teknik til at mærke individuelle nanopartikler og derved identificere dem i en prøve. "Til studiet, vi dyrkede nanopartikler af en platin-rhodium-legering på et substrat i laboratoriet og mærkede en specifik partikel, " siger medforfatter Thomas Keller fra DESY NanoLab og ansvarlig for projektet hos DESY. "Den mærkede partikels diameter er omkring 100 nanometer, og det ligner de partikler, der bruges i en bils katalysator." En nanometer er en milliontedel af en millimeter.

Ved hjælp af røntgenstråler fra European Synchrotron Radiation Facility ESRF i Grenoble, Frankrig, holdet var ikke kun i stand til at skabe et detaljeret billede af nanopartiklerne; den målte også den mekaniske belastning i dens overflade. "Overfladebelastningen er relateret til overfladesammensætningen, især forholdet mellem platin og rhodium atomer, " forklarer medforfatter Philipp Pleßow fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT), hvis gruppe beregnede belastning som en funktion af overfladesammensætning. Ved at sammenligne den observerede og beregnede facetafhængige stamme, der kan drages konklusioner vedrørende den kemiske sammensætning ved partikeloverfladen. De forskellige overflader af en nanopartikel kaldes facetter, ligesom facetterne af en skåret ædelsten.

Når nanopartiklerne dyrkes, dens overflade består hovedsageligt af platinatomer, da denne konfiguration er energetisk favoriseret. Imidlertid, forskerne studerede formen af ​​partiklen og dens overfladespænding under forskellige forhold, herunder driftsbetingelserne for en bilkatalysator. At gøre dette, de opvarmede partiklen til omkring 430 grader Celsius og tillod kulilte og iltmolekyler at passere over den. "Under disse reaktionsbetingelser, rhodium inde i partiklen bliver mobilt og migrerer til overfladen, fordi det interagerer stærkere med ilt end platin, " forklarer Pleßow. Dette forudsiges også af teori.

"Som resultat, overfladedeformationen og partikelformen ændres, " rapporterer medforfatter Ivan Vartaniants, fra DESY, hvis team konverterede røntgendiffraktionsdataene til tredimensionelle rumlige billeder. "Der finder en facetafhængig rhodiumberigelse sted, hvorved yderligere hjørner og kanter dannes." Den kemiske sammensætning af overfladen, og partiklernes form og størrelse har en væsentlig effekt på deres funktion og effektivitet. Imidlertid, videnskabsmænd er kun lige begyndt at forstå præcis, hvordan disse hænger sammen, og hvordan man kontrollerer strukturen og sammensætningen af ​​nanopartiklerne. Røntgenstrålerne gør det muligt for forskere at opdage ændringer på så lidt som 0,1 ud af tusind i stammen, hvilket i dette eksperiment svarer til en præcision på omkring 0,0003 nanometer (0,3 pikometre).

Afgørende skridt i retning af at analysere industrielle katalysatormaterialer

"Vi kan nu for første gang, observere detaljerne i de strukturelle ændringer i sådanne katalysatornanopartikler, mens de er i drift, " siger Stierle, Lead Scientist ved DESY og professor i nanovidenskab ved Universitetet i Hamborg. "Dette er et stort skridt fremad og hjælper os med at forstå en hel klasse af reaktioner, der gør brug af legerede nanopartikler." Forskere ved KIT og DESY ønsker nu at udforske dette systematisk på det nye Collaborative Research Center 1441, finansieret af den tyske forskningsfond (DFG) og med titlen "Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)".

"Vores undersøgelse er et vigtigt skridt i retning af at analysere industrielle katalytiske materialer, " påpeger Stierle. Indtil nu, videnskabsmænd har været nødt til at dyrke modelsystemer i laboratoriet for at kunne udføre sådanne undersøgelser. "I dette studie, vi er gået til grænsen af, hvad der kan gøres. Med DESYs planlagte røntgenmikroskop PETRA IV, vi vil være i stand til at se på ti gange mindre individuelle partikler i rigtige katalysatorer, og under reaktionsbetingelser." DESY er et af verdens førende partikelacceleratorcentre og undersøger stofs struktur og funktion – fra interaktionen mellem små elementarpartikler og opførselen af ​​nye nanomaterialer og vitale biomolekyler til universets store mysterier. partikelacceleratorer og detektorer, som DESY udvikler og bygger på sine lokationer i Hamborg og Zeuthen, er unikke forskningsværktøjer. De genererer den mest intense røntgenstråling i verden, accelerer partikler for at registrere energier og åbne nye vinduer til universet. DESY er medlem af Helmholtzforeningen, Tysklands største videnskabelige sammenslutning, og modtager sin finansiering fra det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) (90 procent) og de tyske forbundsstater Hamborg og Brandenburg (10 procent).