Bezprecedensowa prezentacja nanocząstek pojedynczego katalizatora w akcji

Zespół badawczy pod kierownictwem DESY wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie o wysokiej intensywności do obserwacji pojedynczej nanocząstki katalitycznej w akcji. Eksperyment ujawnił po raz pierwszy, jak skład chemiczny powierzchni pojedynczej nanocząstki zmienia się w warunkach reakcji, czyniąc ją bardziej aktywną. Zespół kierowany przez Andreasa Stierle z DESY przedstawia swoje odkrycia w czasopiśmie Science Advances. Badanie to stanowi ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia prawdziwych syntetycznych materiałów katalitycznych.

Katalizatory to substancje, które wzmacniają reakcje chemiczne, nie ulegając samoistnemu zużyciu. Obecnie katalizatory wykorzystywane są w wielu procesach przemysłowych, od produkcji nawozów po produkcję tworzyw sztucznych. Z tego powodu katalizatory mają duże znaczenie gospodarcze. Bardzo znanym przykładem jest katalizator montowany w samochodowych układach wydechowych. Zawiera metale szlachetne, takie jak platyna, rod i pallad, które umożliwiają konwersję wysoce toksycznego tlenku węgla (CO) na dwutlenek węgla (CO2) oraz zmniejszają ilość szkodliwych tlenków azotu (NOx).

„Pomimo ich powszechnego stosowania i ogromnego znaczenia, wciąż nie znamy wielu ważnych szczegółów dotyczących działania różnych katalizatorów” – wyjaśnia Stierle, prezes DESY NanoLab. „Dlatego od dawna chcieliśmy badać prawdziwe wyzwalacze podczas operacji”. Nie jest to łatwe, ponieważ w celu jak największej powierzchni aktywnej stosuje się katalizatory w postaci niewielkich nanocząstek, a na ich powierzchni zachodzą zmiany wpływające na ich aktywność.

Naprężenia powierzchniowe związane ze składem chemicznym

W ramach projektu Unii Europejskiej Foundries Nanoscience and Microanalysis (NFFA) zespół DESY NanoLab opracował technikę klasyfikacji, a tym samym identyfikacji poszczególnych nanocząstek w próbce. „Na potrzeby badań wyhodowaliśmy nanocząsteczki stopu platyny i rodu na podłożu w laboratorium i oznaczyliśmy jedną konkretną cząsteczkę” – mówi współautor Thomas Keller z DESY NanoLab i odpowiedzialny za projekt w DESY. Oceniona cząstka ma średnicę około 100 nanometrów, co jest zbliżone do cząstek stosowanych w katalizatorze samochodowym. „Nanometr to jedna milionowa milimetra.

Wykorzystując promienie rentgenowskie z Europejskiego Ośrodka Promieniowania Synchrotronowego ESRF w Grenoble we Francji, zespół był w stanie nie tylko stworzyć szczegółowy obraz nanocząstek; Zmierzył również ciśnienie mechaniczne wewnątrz jego powierzchni. „Naprężenie powierzchniowe jest związane ze składem powierzchni, szczególnie ze stosunkiem atomów platyny do rodu” – wyjaśnia współautor Philip Plesso z Karlsruhe Institute of Technology (KIT), którego grupa obliczyła naprężenie jako funkcję formowania powierzchni. Porównując odkształcenie zależne od obserwowanych i obliczonych ścian, można wyciągnąć wnioski dotyczące składu chemicznego na powierzchni cząstek. Różne powierzchnie nanocząstek nazywane są fasetami, podobnie jak boki oszlifowanego kamienia szlachetnego.

Gdy nanocząstka rośnie, jej powierzchnia składa się głównie z atomów platyny, ponieważ ta konfiguracja jest bardzo preferowana. Jednak naukowcy zbadali kształt cząstki i jej naprężenie powierzchniowe w różnych warunkach, w tym w warunkach pracy konwertera autokatalitycznego. Aby to zrobić, podgrzali cząsteczkę do około 430 stopni Celsjusza i przepuszczali nad nią cząsteczki tlenku węgla i tlenu. „W tych warunkach reakcji rod wewnątrz cząstki staje się ruchliwy i migruje na powierzchnię, ponieważ reaguje z tlenem silniej niż z platyną” – wyjaśnia Pleso. Przewiduje to również teoria.

„W rezultacie zmienia się naprężenie powierzchniowe i kształt cząstek” – mówi współautor Ivan Vartanianets z DESY, którego zespół przekształcił dane z dyfrakcji rentgenowskiej na trójwymiarowe obrazy przestrzenne. „Wzbogacanie rodem odbywa się na twarzach, gdzie powstają dodatkowe rogi i krawędzie”. Skład chemiczny powierzchni oraz kształt i wielkość cząstek ma duży wpływ na ich funkcję i wydajność. Jednak naukowcy dopiero zaczynają dokładnie rozumieć, w jaki sposób są ze sobą powiązane i jak kontrolować strukturę i skład nanocząstek. Promienie rentgenowskie pozwalają naukowcom wykryć zmiany poniżej 0,1 na tysiąc w szczepie, co w tym eksperymencie odpowiada rozdzielczości około 0,0003 nanometra (0,3 pikometra).

Krytyczny krok w kierunku analizy materiałowej katalizatora przemysłowego

„Możemy teraz po raz pierwszy szczegółowo zaobserwować zmiany strukturalne w takich katalizowanych nanocząstkach podczas pracy”, mówi Stierle, główny naukowiec w DESY i profesor nanonauk na Uniwersytecie w Hamburgu. „To ogromny krok naprzód i pomaga nam zrozumieć całą klasę interakcji wykorzystujących nanocząstki stopowe”. Naukowcy z KIT i DESY chcą teraz zbadać to systematycznie w nowym Collaborative Research Center 1441, finansowanym przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) pod tytułem „Śledzenie aktywnych miejsc w heterogenicznej katalizie kontroli emisji (TrackAct)”.

Stierle zauważa, że ​​„nasze badanie jest ważnym krokiem w kierunku analizy syntetycznych materiałów katalitycznych”. Do tej pory naukowcy musieli opracowywać systemy modelowe w laboratorium w celu przeprowadzenia takich badań. „W tym badaniu osiągnęliśmy granicę tego, co można zrobić. Za pomocą planowanego mikroskopu rentgenowskiego PETRA IV firmy DESY będziemy w stanie badać pojedyncze cząstki 10 razy mniejsze w rzeczywistych katalizatorach i w warunkach reakcji”.

DESY jest jednym z wiodących światowych ośrodków akceleratorów cząstek i zajmuje się badaniem struktury i funkcji materii — od interakcji małych cząstek elementarnych i zachowania nowych nanomateriałów i ważnych biomolekuł po wielkie tajemnice wszechświata. Akceleratory i detektory cząstek opracowane i zbudowane przez DESY w zakładach w Hamburgu i Zeuthen to wyjątkowe narzędzia badawcze. Generują najintensywniejsze promieniowanie rentgenowskie na świecie, przyspieszając cząstki, rejestrując energie i otwierając nowe okna we wszechświecie. DESY jest członkiem Stowarzyszenia Helmholtza, największego towarzystwa naukowego w Niemczech, i otrzymuje fundusze od niemieckiego Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) (90 proc.) oraz niemieckich krajów związkowych Hamburga i Brandenburgii (10 proc.).

referencja

Obrazowanie rentgenowskie pojedynczej nanocząstki stopowej podczas reakcji katalitycznej; Young-Young Kim, Thomas F. Keeler, Thiago J. Goncalves, Manuel Abbein, Henning Runge, Luca Gilesio, Jerome Karnes, Vedran Funk, Philip N. Pleso, Evan A.; Vartaniantes, Andreas Stirl; Postępy Naukowe, 2021; 10.1126 / sciadv.abh0757