(Phys.org) — Atomaire momentopnamen van een bimetalen nanodeeltjeskatalysator in actie hebben inzichten opgeleverd die kunnen helpen bij het verbeteren van het industriële proces waarmee brandstoffen en chemicaliën worden gesynthetiseerd uit aardgas, steenkool of plantaardige biomassa. Een multinationale laboratoriumsamenwerking onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft de meest gedetailleerde blik ooit geworpen op de evolutie van platina/kobalt bimetaal nanodeeltjes tijdens reacties in zuurstof- en waterstofgassen.

"Met behulp van in situ aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), we ontdekten dat tijdens de oxidatiereactie, kobaltatomen migreren naar het oppervlak van de nanodeeltjes, het vormen van een epitaxiale film van kobaltoxide, als water op olie, " zegt Haimei Zheng, een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die deze studie leidde. "Tijdens de waterstofreductiereactie, kobaltatomen migreren terug naar de bulk, waardoor er een monolaag platina op het oppervlak achterblijft. Deze atomaire informatie vormt een belangrijk referentiepunt voor het ontwerpen en ontwikkelen van betere bimetaalkatalysatoren in de toekomst."

Zheng, een 2011 ontvanger van een DOE Office of Science Early Career Award, is de corresponderende auteur van een artikel waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Nano-letters getiteld "Onthulling van de atomaire herstructurering van Pt-Co-nanodeeltjes." Co-auteurs bij Berkeley zijn Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin Wang Wang, Miquel Salmeron en Gabor Somorjai. Andere co-auteurs zijn Chong-Min Wang en Libor Kovarik, van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Eric Stach van Brookhaven National Laboratory (BNL), en Arda Genc van de FEI Company in Oregon.

Bimetaalkatalysatoren trekken tegenwoordig veel aandacht van de chemische industrie omdat ze in veel gevallen superieure prestaties bieden aan hun monometalen tegenhangers. Er is ook de mogelijkheid om hun katalytische prestaties af te stemmen op specifieke behoeften. Een bimetaalkatalysator van bijzonder belang omvat de koppeling van platina, de gouden standaard van monometaalkatalysatoren, met kobalt, een mindere katalysator, maar wel een die aanzienlijk goedkoper is dan platina. De platina/kobalt-katalysator wordt niet alleen beschouwd als een modelsysteem voor de studie van andere bimetalen nanokatalysatoren, het is ook een uitstekende promotor van het veelgebruikte Fischer-Tropsch-proces, waarin mengsels van waterstof en koolmonoxide worden omgezet in koolstof met lange keten voor gebruik als brandstof of in brandstofcellen bij lage temperatuur.

"Hoewel er veel onderzoeken zijn gedaan naar platina/kobalt en andere bimetaalkatalysatoren, informatie over hoe reacties atomair verlopen en hoe de morfologie eruitziet, ontbreekt, " zegt Zheng. "Om deze informatie te verkrijgen was het nodig om de atomaire structuren in reactieve omgevingen in situ in kaart te brengen, wat we deden met speciaal uitgeruste TEM's."

De in situ milieu-TEM-experimenten werden uitgevoerd in zowel het Environmental Molecular Sciences Laboratory, die is gevestigd op PNNL, en bij BNL's Centrum voor Functionele Nanomaterialen. Ex situ aberratie-gecorrigeerde TEM-beeldvorming werd gedaan in Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy met behulp van TEAM 0.5, 's werelds krachtigste TEM.

"Dit werk is een uitstekend voorbeeld van collaboratief teamwerk tussen meerdere instituten, "Zegt Zheng. "Toegang hebben tot zulke hoogwaardige middelen en zulke hechte teamsamenwerkingen kunnen vormen, versterkt ons vermogen om uitdagende wetenschappelijke problemen aan te pakken."

De in situ aberratie gecorrigeerde TEM-onderzoeken van Zheng en haar collega's onthulden dat vanwege een mismatch in grootte tussen de roosters van de kobaltoxide epitaxiale film en het platina-oppervlak, het kobaltoxiderooster wordt samendrukkend gespannen bij het grensvlak om op het platinarooster te passen. Terwijl de spanningsenergie ontspant, de kobaltoxidefilm begint uiteen te vallen en vormt afzonderlijke moleculaire eilanden op het platina-oppervlak. Dit verkleint het effectieve reactieoppervlak per volume en creëert katalytische holtes, die beide van invloed zijn op de algehele katalytische prestaties.

"Door rekening te houden met deze scheiding van de platina- en kobaltatomen, de grensvlakspanning die ontstaat tijdens oxidatie kan worden voorspeld, " zegt Zheng. "Dan kunnen we nanodeeltjeskatalysatoren ontwerpen om ervoor te zorgen dat tijdens reacties het materiaal met hogere katalytische prestaties op het oppervlak van de nanodeeltjes zal zijn."

Zheng voegt eraan toe dat het vermogen om details op atomaire schaal van de evolutie van de structuur van nanodeeltjes in hun reactieve omgevingen te observeren, niet alleen de weg opent naar een dieper begrip van de katalyse van bimetalen nanodeeltjes, het maakt ook de studie mogelijk van een grotere verscheidenheid aan nanodeeltjessystemen waar reactieroutes ongrijpbaar blijven.