(Phys.org) — Noch glad, noch ongeordend, nanodeeltjes van gamma-aluminiumoxide zijn gegolfd met kleine poriën aan de binnenkant, volgens wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory. Met behulp van een krachtige transmissie-elektronenmicroscoop, het team verkreeg beelden met ultrahoge resolutie en chemische gegevens over het oppervlak van het deeltje. Ze ontdekten dat de deeltjes bedekt waren met richels gemaakt van een meer open, toch symmetrisch, rangschikking van atomen. De open opstelling op de oppervlakken, genoteerd als (110), beslaat 70% van het nanodeeltje.

Door de structuur en functie van kleine gamma-aluminiumoxidedeeltjes te begrijpen, wetenschappers zetten cruciale stappen om deze materialen te optimaliseren en nieuwe nuttige eigenschappen te realiseren. "Als we iets kunnen leren over de oppervlakken, dan kunnen we ze op maat maken en efficiënter maken in katalytische toepassingen, " zei dr. Libor Kovarik, die de beeldvormingsstudie leidde als onderdeel van het Chemical Imaging Initiative van PNNL.

Waarom het belangrijk is:het verminderen van de energiebehoefte van raffinaderijen of de uitstoot van auto's en vrachtwagens vereist efficiënte katalysatoren op duurzame ondersteunende materialen. Het ondersteunende materiaal moet bestand zijn tegen sterke temperatuur- en drukveranderingen. Gamma-alumina is uitgebreid bestudeerd, maar de atomaire rangschikking is niet vastgesteld vanwege de uitdaging om een ​​gedetailleerd beeld van dit complexe materiaal te krijgen. Het nauwkeurig beschrijven van de atomaire structuur is cruciaal voor het begrijpen en benutten van de beste eigenschappen van gamma-aluminiumoxide.

"Katalytisch onderzoek vereist dit soort state-of-the-art chemisch beeldvormend onderzoek, " zei dr. Charles Peden, een heterogene katalysewetenschapper die aan de studie werkte, en een Associate Director van PNNL's Institute for Integrated Catalysis. "De uitstekende nieuwe beelden van Dr. Kovarik van deze krachtige microscoop hebben ongekende nieuwe informatie opgeleverd over een katalysatormateriaal van enorm praktisch nut."

Het team begon met een nieuwe methode voor de synthese van materialen, en een nieuwe microscoop om de beelden te verkrijgen en de bijbehorende chemische gegevens te interpreteren. Met de synthesebenadering het team produceerde ruitvormige deeltjes van gamma-aluminiumoxide, Al ₂ O ₃ , die 30 tot 50 nanometer breed en 10 tot 20 nanometer dik waren. Het team bezaaide het oppervlak van de aluminiumoxidedeeltjes met katalytische platinadeeltjes van nanoformaat.

Ze plaatsten deze katalysatordeeltjes op een rooster en in een gespecialiseerde cel. De cel werd vervolgens in een microscoop geplaatst die een elektronenstraal gebruikt, in plaats van licht, afbeeldingen te verkrijgen. Dit instrument is een sferische aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscoop met een ringvormige donkervelddetector met een hoge hoek. Het team bediende de microscoop, of TEM, in twee verschillende modi, fasecontrast en scannen. Op deze manier, ze verkregen gedetailleerde driedimensionale afbeeldingen die konden worden opengesneden met gespecialiseerde software, wat geheel nieuwe weergaven opleverde.

"Transmissie-elektronenmicroscopie is de enige techniek die directe visualisatie van dit complexe materiaal kan bieden. Hoewel spectroscopie een schat aan informatie biedt over de chemische bindingsomgeving van atomen op deze oppervlakken, alleen TEM kan ons een direct beeld geven en de fijne structurele kenmerken van de materiële oppervlakken onthullen, ' zei Kovarik.

Het team ontdekte dat het oppervlak van de deeltjes op atomair niveau gegolfd was. Het oppervlak verandert aanzienlijk tijdens de synthese, met 70% van het relatief vlakke oppervlak, aangeduid als (110), veranderen in een meer open opstelling van korte driehoekige uitsteeksels met (111) facetten.

De TEM-afbeeldingen opensnijden, het team ontdekte poriën in de plaatachtige deeltjes. De langwerpige poriën, ongeveer 2 tot 4 nanometer breed, waren verspreid over het materiaal. Verrassend genoeg, de oppervlakken in de poriën hebben niet dezelfde structuur als die op de buitenoppervlakken van de deeltjes.

"Als je eenmaal een complex systeem kunt zien en begrijpen, u kunt een tijdbasis genereren voor het besturen van dat systeem, " zei Dr. Louis Terminello, die het Chemical Imaging Initiative bij PNNL leidt.

Het zien van het gegolfde oppervlak en de langwerpige poriën in de aluminiumoxidedeeltjes geeft onderzoekers aanwijzingen voor het afstemmen van het gamma-aluminiumoxide en andere soorten katalysatordragerdeeltjes. Dit werk maakt deel uit van een grotere inspanning om de elektronische en atomaire structuur van katalysatoren en energieopslagmaterialen op te helderen.