Een onderzoeksteam bestaande uit NIMS, Kyoto University en Oita University-groepen hebben voor het eerst met succes de elektronische toestanden gemeten van legeringsnanodeeltjes bestaande uit rhodium (Rh) en koper (Cu) die vergelijkbare katalytische activiteiten vertonen bij verschillende Rh-tot-Cu-verhoudingen. De nanodeeltjes dienen als katalysator voor de zuivering van uitlaatgassen.

Een onderzoeksteam heeft voor het eerst met succes de elektronische toestanden gemeten van nanodeeltjes (NP's) van Rh-Cu-legeringen die vergelijkbare katalytische activiteiten vertonen bij verschillende Rh-tot-Cu-verhoudingen (op basis van het aantal atomen). De nanodeeltjes dienen als katalysator voor de zuivering van uitlaatgassen. De resultaten gaven aan dat het moeilijk is om de elektronische toestanden van NP's te correleren met hun katalytische activiteiten. Een meer gedetailleerde analyse van de relatie tussen deze twee variabelen kan leiden tot de ontdekking van nieuwe methoden om gelegeerde NP's katalytisch even effectief te maken als zuivere Rh NP's. Deze methoden zijn mogelijk niet gebaseerd op het matchen van elektronische toestanden van gelegeerde NP's met die van zuivere Rh NP's.

Het zeldzame element Rh is een veelbelovende katalysator voor de zuivering van uitlaatgassen van auto's en andere bronnen. Echter, omdat Rh een zeer waardevolle hulpbron is, het gebruik ervan moet worden geminimaliseerd. Kitagawa's groep aan de Universiteit van Kyoto slaagde er eerder in om NP's van Rh-Cu-legeringen te synthetiseren, wat met bulkmaterialen onmogelijk te realiseren is. Nagaoka's groep aan de Oita University bevestigde dat deze gelegeerde NP's kunnen dienen als katalysator voor uitlaatgaszuivering door uitlaatgascomponenten zoals CO en NOx te oxideren. Hun katalytische vermogen was vergelijkbaar met dat van zuivere Rh NP's, en nam niet af met afnemend Rh-gehalte. Algemeen werd aangenomen dat het veranderen van de samenstelling van gelegeerde NP's ook hun elektronische toestanden zou veranderen, en dat hun katalytische activiteiten nauw verband hielden met hun elektronische toestanden. Op basis van deze aannames, veel materiaalwetenschappers waren geïnteresseerd in het bestuderen van de elektronische toestanden van NP's van Rh-Cu-legeringen. Technische problemen maakten een dergelijk onderzoek in de praktijk moeilijk uit te voeren. Onlangs, Sakata's groep bij NIMS heeft voor het eerst de elektronische toestanden van NP's van Rh-Cu-legeringen gemeten bij verschillende Rh-naar-Cu-verhoudingen.

Het is erg moeilijk om de elektronische toestanden van NP's nauwkeurig te evalueren met behulp van foto-elektronspectroscopie met lage energie (zachte) röntgenstralen. Dit komt omdat NP-oppervlakken zijn gecoat met een beschermend materiaal om te voorkomen dat ze samenklonteren. Om dit probleem op te lossen, we hebben foto-elektronspectroscopiemetingen gedaan van de NP's op de bundellijn van NIMS in 's werelds grootste synchrotronstralingsfaciliteit (SPring-8). De faciliteit stelde ons in staat om elektronische toestandsgegevens te verzamelen van het geheel van de NP's met behulp van (harde) röntgenstralen met hoge energie die het beschermende buitenste laagmateriaal kunnen doordringen. We onderzochten de elektronische toestanden (oxidatietoestanden) van twee soorten NP's van Rh-Cu-legeringen:NP's met een hoger (ongeveer 80%) Rh en vergelijkbaar Rh:Cu (ongeveer 50%) gehalte. Vergelijkbare oxidatietoestanden werden gevonden in NP's met het hogere Rh-gehalte en in zuivere Rh NP's. Anderzijds, NP's met de vergelijkbare Rh :Cu-verhouding hadden een lager aandeel Rh(3-δ)+ in een oxidatietoestand en een hogere Rh0 dan die van de NP's met het hogere Rh-gehalte en hadden een hoger aandeel Cu2+ in een oxidatietoestand.

Deze resultaten geven aan dat meer gedetailleerde evaluaties van elektronentoestanden van vitaal belang zijn voor het creëren van nieuwe katalytische en andere functionele materialen. In de toekomst, we zijn van plan een theoretische studie uit te voeren over de relatie tussen de katalytische activiteiten van NP's en hun elektronische toestanden. In aanvulling, om de creatie van nieuwe functionele materialen te versnellen, we zullen de ontwikkeling van materiaalinformatica bevorderen door onze gegevens te verstrekken over de elektronische structuren en atomaire rangschikkingen van gelegeerde NP's en verschillende andere materialen.

Dit onderzoek werd ondersteund door het Nanotechnology Platform Japan-programma van MEXT, en JST's ACCEL-project getiteld "Creatie van innovatieve functies van intelligente materialen op basis van elementstrategie" (Professor Hiroshi Kitagawa, onderzoeksteamleider).

Deze studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 25 januari 2017.