Katalysatoren voor het reinigen van uitlaatemissies zijn efficiënter wanneer ze nanodeeltjes met veel randen gebruiken. Dit is een van de bevindingen van een onderzoek dat is uitgevoerd bij DESY's röntgenbron PETRA III. Een team van wetenschappers van het DESY NanoLab zag live hoe schadelijk koolmonoxide werd omgezet in gewone kooldioxide op het oppervlak van nanodeeltjes van edelmetaal, zoals die worden gebruikt in katalysatoren van auto's. De wetenschappers presenteren hun bevindingen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Hun resultaten suggereren dat het hebben van een groot aantal randen de efficiëntie van katalytische reacties verhoogt, omdat de verschillende facetten van de nanodeeltjes vaak worden bedekt door groeiende eilanden van een nano-oxide, waardoor deze facetten uiteindelijk inactief worden. Aan de randen, de oxide-eilanden kunnen geen verbinding maken, actieve plaatsen achterlaten voor de katalytische reactie.

Katalysatoren gebruiken meestal nanodeeltjes omdat deze een veel groter oppervlak hebben voor een bepaalde hoeveelheid van het materiaal, waarop de katalytische reactie kan plaatsvinden. Voor het hier gepresenteerde onderzoek de wetenschappers van DESY's NanoLab groeiden platina-rhodium-nanodeeltjes op een substraat op zo'n manier dat vrijwel alle deeltjes in dezelfde richting waren uitgelijnd en dezelfde vorm hadden van afgeknotte octaëders (octaëders lijken op dubbele piramides). De wetenschappers bestudeerden vervolgens de katalytische eigenschappen van dit monster onder de typische werkomstandigheden van een autokatalysator, met verschillende gassamenstellingen in een reactiekamer die werd blootgesteld aan intense röntgenstralen van PETRA III op de P09-bundellijn.

De efficiëntie van katalytische materialen kan worden gemeten met behulp van een massaspectrometer die de verhoudingen van bepaalde soorten moleculen in de uitlaatemissies onthult, hier de relatieve concentraties van koolmonoxide, zuurstof en koolstofdioxide. “We doen een soort emissietest op de nanodeeltjes, " legt Uta Hejral uit, de eerste auteur van het artikel, werkt nu aan de universiteit van Lund in Zweden. Vanwege de parallelle uitlijning van de nanodeeltjes, de wetenschappers waren ook in staat om die oppervlakken van de nanodeeltjes te bepalen waarop de reactie bijzonder goed verliep. "Hier kunnen we de reactie op atomaire schaal echt volgen, ’ merkt Hejral op.

Normaal gesproken, de edelmetaal nanodeeltjes in de katalysator van een auto zijn bevestigd aan kleine kruimels substraat, die aan elkaar plakken en complexe structuren vormen. "Deze zijn moeilijk te onderzoeken met röntgenstralen, omdat de edelmetalen maar een paar gewichtsprocenten uitmaken en vooral omdat de nanodeeltjes in allerlei verschillende richtingen zijn uitgelijnd, " legt Andreas Stierle uit, die een hoofdwetenschapper is bij DESY en een professor in nanowetenschappen aan de Universiteit van Hamburg. "Onder röntgenverlichting, elk deeltje produceert een afzonderlijk diffractiepatroon en deze overlappen elkaar om een ​​wazig beeld te creëren. Door ze parallel aan elkaar te laten uitlijnen, anderzijds, de diffractiepatronen van alle nanodeeltjes worden over elkaar heen gelegd en versterken elkaar. Hierdoor kunnen de verschillende facetten van de nanodeeltjes, met andere woorden hun individuele oppervlakken, te identificeren en specifiek te observeren."

Uit het onderzoek bleek dat de reactiviteit van de nanodeeltjes sterk toeneemt bij een bepaalde zuurstofconcentratie. "Dit gebeurt wanneer er net genoeg zuurstof beschikbaar is om elk koolmonoxidemolecuul te oxideren en om te zetten in kooldioxide, " zegt Stierle. Buiten die concentratie, de reactiviteit neemt geleidelijk weer af doordat er een dikke oxidelaag op het oppervlak van de deeltjes groeit, de reactie belemmeren. De röntgenanalyse onthult de atomaire structuur van het oppervlak van de nanodeeltjes met de beste resolutie tot nu toe onder de omstandigheden waarbij de reactie plaatsvindt. Hieruit blijkt dat zodra een bepaalde zuurstofconcentratie wordt overschreden, de verschillende kristalvlakken van de nanodeeltjes worden bedekt met een zuurstof-rhodium-zuurstof sandwich, totdat uiteindelijk het oppervlak van het metaal volledig bedekt is door deze nano-oxidelaag.

"Het oppervlakte-oxide vormt uiteindelijk een gesloten laag over de nanodeeltjes, " meldt Hejral. ​​"Dit is in eerste instantie ongunstig voor de gewenste reactie, omdat het het voor koolmonoxidemoleculen moeilijk maakt om zich aan het oppervlak te hechten. Echter, de zuurstof kan geen gesloten film vormen langs de randen tussen de vlakken van de nanodeeltjes, wat betekent dat de reactiviteit langs de randen hoger is." Deze bevinding suggereert een directe weg om katalysatoren efficiënter te maken:"We zouden verwachten dat katalysatoren steeds efficiënter worden naarmate de nanodeeltjes meer randen hebben voor een bepaald oppervlak, ", zegt Stierle. Deze bevinding kan waarschijnlijk ook worden toegepast op veel andere katalytische reacties. Aanvullende studies zullen moeten uitwijzen hoeveel de efficiëntie daardoor kan worden verhoogd.

DESY is een van 's werelds toonaangevende deeltjesversnellercentra. Onderzoekers gebruiken de grootschalige faciliteiten van DESY om de microkosmos in al zijn verscheidenheid te verkennen - variërend van de interactie van kleine elementaire deeltjes tot het gedrag van innovatieve nanomaterialen en de vitale processen die plaatsvinden tussen biomoleculen tot de grote mysteries van het universum. De versnellers en detectoren die DESY ontwikkelt en bouwt op haar locaties in Hamburg en Zeuthen zijn unieke onderzoeksinstrumenten. DESY is lid van de Helmholtz Vereniging, en ontvangt zijn financiering van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) (90 procent) en de Duitse deelstaten Hamburg en Brandenburg (10 procent).