Aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), wetenschappers hebben ceria-nanodeeltjes bestudeerd met behulp van sondemoleculen en een complex ultrahoog vacuüm-infrarood meetsysteem en hebben nieuwe inzichten verkregen in hun oppervlaktestructuur en chemische activiteit. Over hun werk wordt gerapporteerd in drie artikelen die in het tijdschrift zijn gepubliceerd Angewandte Chemie .

Ceriumoxiden, verbindingen van zuurstof en het zeldzame aardmetaal cerium, behoren tot de belangrijkste oxiden voor technische toepassingen. Ceria wordt voornamelijk gebruikt in heterogene katalyse, voorbeelden zijn uitlaatgaskatalysatoren van personenauto's, fotokatalyse in zonnecellen, water splijten, of de afbraak van verontreinigende stoffen. Ceria, zoals gebruikt in katalysatoren, is in de vorm van een poeder. Het bestaat uit deeltjes op nanoschaal met een zeer complexe structuur. Speciale rangschikking van de metaal- en zuurstofatomen op het oppervlak bepaalt de fysische en chemische eigenschappen van ceria. Tot dusver, echter, het was onmogelijk om de herschikkings- en reconstructieprocessen die plaatsvinden aan het oppervlak van de nanodeeltjes nauwkeurig te analyseren.

bij KIT, wetenschappers van het Institute of Functional Interfaces (IFG) onder leiding van professor Christof Wöll hebben de afgelopen jaren een nieuwe methode ontwikkeld om chemische eigenschappen van oxide-oppervlakken te bestuderen. Ze gebruikten kleine moleculen, zoals koolmonoxide (CO), moleculaire zuurstof (O2), of lachgas (N2O), als sondemoleculen. Deze moleculen hechten aan het oppervlak van de oxide nanodeeltjes. Vervolgens, de onderzoekers bepalen trillingsfrequenties van de sondemoleculen. "Deze aanpak heeft geleid tot grote vooruitgang in het begrip van oppervlakte-eigenschappen van ceria-nanodeeltjes, ' zegt Christof Wöll.

Samen met wetenschappers van het Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) van het KIT, Humboldt-Universität zu Berlin, de Universiteit van Udine/Italië, en de Polytechnische Universiteit van Catalonië in Barcelona/Spanje, de IFG-onderzoekers bestudeerden verschillende aspecten van de oppervlaktestructuur en chemische activiteit van ceria-nanodeeltjes.

De belangrijkste reden van de geboekte vooruitgang is dat de onderzoekers erin zijn geslaagd de voor de poeders gemeten trillingsfrequenties te verifiëren door metingen met exact gedefinieerde modelstoffen. Ze pasten een uniek ultrahoog vacuüm-infraroodsysteem toe. Aanvullend, ze gebruikten kwantummechanica-berekeningen om de voorheen onbekende trillingsbanden van de oxidedeeltjes toe te wijzen. Op deze manier, ze kregen geheel nieuwe inzichten in de oppervlaktechemie van ceria-nanodeeltjes.

De wetenschappers bewezen dat het oppervlak van een staafvormig ceria-nanodeeltje een aantal defecten heeft, zoals zaagtandvormige nanofacetten, zuurstof vacatures, hoeken, en randen. Deze onregelmatigheden leiden waarschijnlijk tot de hoge katalytische activiteit van dergelijke nanodeeltjes. In aanvulling, de onderzoekers ontdekten dat fotoreactiviteit van ceria aanzienlijk kan worden verbeterd door het genereren van zuurstofvacatures, d.w.z. onbezette zuurstofplaatsen. Een andere studie leverde basisinformatie op over de positie van zuurstofvacatures op verschillende ceria-oppervlakken en hun relevantie voor zuurstofactivering. "Op basis van onze bevindingen we kunnen nu systematisch op nanoschaal gebaseerde katalysatoren en fotokatalysatoren verder ontwikkelen en optimaliseren, " zegt professor Wöll.