Ongekende weergave van een enkel gekatalyseerd nanodeeltje in actie

Een onderzoeksteam onder leiding van DESY gebruikt röntgenstralen met hoge intensiteit om een ​​enkel katalytisch nanodeeltje in actie te observeren. Het experiment onthulde voor het eerst hoe de chemische samenstelling van het oppervlak van een individueel nanodeeltje verandert onder reactieomstandigheden, waardoor het actiever wordt. Het team onder leiding van Andreas Stierle van DESY presenteert hun bevindingen in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang. Deze studie is een belangrijke stap naar een beter begrip van echte synthetische katalytische materialen.

Katalysatoren zijn stoffen die chemische reacties versterken zonder zelf te worden verbruikt. Tegenwoordig worden katalysatoren in veel industriële processen gebruikt, van de productie van meststoffen tot de productie van kunststoffen. Om deze reden zijn katalysatoren van groot economisch belang. Een zeer bekend voorbeeld is de katalysator die in uitlaatsystemen van auto’s is geïnstalleerd. Het bevat edele metalen zoals platina, rhodium en palladium, die de omzetting van zeer giftige koolmonoxide (CO) in kooldioxide (CO) mogelijk maken.₂) en de hoeveelheid schadelijke stikstofoxiden (NO .)._x).

“Ondanks hun wijdverbreide gebruik en grote belang, weten we nog steeds niet veel belangrijke details over hoe verschillende katalysatoren werken”, legt Stierle, president van DESY NanoLab, uit. “Daarom wilden we al lang echte triggers tijdens operatie bestuderen.” Dit is niet eenvoudig, want om het actieve oppervlak zo groot mogelijk te maken, worden meestal katalysatoren gebruikt in de vorm van Nanodeeltjesen veranderingen die hun activiteit beïnvloeden, vinden plaats op hun oppervlak.

Oppervlaktespanning gerelateerd aan chemische samenstelling

In het kader van het project European Union Foundries Nanoscience and Microanalysis (NFFA) heeft het DESY NanoLab-team een ​​techniek ontwikkeld om individuele nanodeeltjes in een monster te classificeren en daarmee te identificeren. “Voor de studie hebben we nanodeeltjes van platina-rhodiumlegering op een substraat in het laboratorium gekweekt en een enkel specifiek deeltje gelabeld”, zegt co-auteur Thomas Keeler van DESY NanoLab en verantwoordelijk voor het project bij DESY. “Het gelabelde deeltje heeft een diameter van ongeveer 100 nanometer, vergelijkbaar met de deeltjes die in de katalysator van een auto worden gebruikt.” Een nanometer is een miljoenste van een millimeter.

Met behulp van röntgenstralen van de European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble, Frankrijk, was het team niet alleen in staat om een ​​gedetailleerd beeld van de nanodeeltjes te maken; Hij mat ook de mechanische druk in het oppervlak. “Oppervlaktespanning houdt verband met de samenstelling van het oppervlak, met name de verhouding tussen platina en rhodiumatomen”, legt co-auteur Philip Plesso van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) uit, wiens groep de spanning berekende als een functie van oppervlaktevorming. Door de rek te vergelijken die afhankelijk is van de waargenomen en berekende vlakken, kunnen conclusies worden getrokken met betrekking tot de chemische samenstelling op het deeltjesoppervlak. De verschillende oppervlakken van nanodeeltjes worden facetten genoemd, net als de zijkanten van een geslepen edelsteen.

Wanneer het nanodeeltje groeit, bestaat het oppervlak voornamelijk uit platina-atomen, aangezien deze configuratie sterk de voorkeur heeft. Wetenschappers bestudeerden echter de vorm van het deeltje en zijn oppervlaktespanning onder verschillende omstandigheden, waaronder de bedrijfsomstandigheden van de autokatalysator. Om dit te doen, verhitten ze het deeltje tot ongeveer 430 graden Celsius en lieten koolmonoxide- en zuurstofmoleculen eroverheen gaan. “Onder deze reactieomstandigheden wordt het rhodium in het deeltje mobiel en migreert het naar de oppervlakte omdat het sterker reageert met zuurstof dan platina”, legt Pleso uit. Dit wordt ook voorspeld door de theorie.

“Als gevolg hiervan veranderen de oppervlaktespanning en de vorm van de deeltjes”, zegt co-auteur Ivan Vartanianets van DESY, wiens team röntgendiffractiegegevens heeft omgezet in ruimtelijke 3D-beelden. “Rhodium-gebaseerde verrijking wordt gedaan op de gezichten, waar extra hoeken en randen worden gevormd.” Chemische structuur van oppervlakte, hebben de vorm en grootte van de deeltjes een aanzienlijke invloed op de functie en efficiëntie ervan. Wetenschappers beginnen echter net te begrijpen hoe ze zich precies met elkaar verhouden en hoe ze de structuur en samenstelling van nanodeeltjes kunnen controleren. Met röntgenstralen kunnen de onderzoekers veranderingen van minder dan 0,1 per duizend in de stam detecteren, wat in dit experiment overeenkomt met een resolutie van ongeveer 0,0003 nanometer (0,3 picometer).

Een cruciale stap in de richting van materiaalanalyse van industriële katalysatoren

“We kunnen nu voor het eerst de structurele veranderingen in dergelijke gekatalyseerde nanodeeltjes tijdens het gebruik in detail observeren”, zegt Stierle, hoofdwetenschapper bij DESY en hoogleraar nanowetenschappen aan de Universiteit van Hamburg. “Dit is een enorme stap voorwaarts en helpt ons een hele reeks interacties te begrijpen die gelegeerde nanodeeltjes gebruiken.” Wetenschappers van KIT en DESY willen dit nu systematisch onderzoeken in het nieuwe Collaborative Research Center 1441, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) getiteld “Tracking Active Sites in Heterogeneous Emission Control Catalysis (TrackAct)”.

Stierle merkt op dat “ons onderzoek een belangrijke stap is in de richting van de analyse van synthetische katalytische materialen.” Tot nu toe moesten wetenschappers modelsystemen in het laboratorium ontwikkelen om dergelijke onderzoeken uit te voeren. “In deze studie hebben we de limiet bereikt van wat kan worden gedaan. Met behulp van een geplande PETRA IV-röntgenmicroscoop van DESY zullen we in staat zijn om individuele deeltjes tien keer kleiner te onderzoeken in echte stimuli, en onder Interactie termen. “DESY is een van ‘s werelds toonaangevende centra voor deeltjesversnellers en onderzoekt de structuur en functie van materie – van de interactie van kleine elementaire deeltjes en het gedrag van nieuwe nanomaterialen en biomoleculen tot de grote mysteries van het universum. Deeltjesversnellers en detectoren DESY ontwikkelt en bouwen op haar locaties in Hamburg en Zeuthen. Het zijn unieke onderzoeksinstrumenten. Ze genereren ‘s werelds meest intense röntgenstraling, versnellen deeltjes om energieën vast te leggen en openen nieuwe vensters naar het universum. DESY is lid van Helmholtz, de grootste wetenschappelijke vereniging van Duitsland , en ontvangt financiering van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF). ) (90 procent) en de Duitse deelstaten Hamburg en Brandenburg (10 procent).