Heeft u last van uw buren? Dat geldt ook voor nanodeeltjes in katalysatoren. Nieuw onderzoek van Chalmers University of Technology, Zweden, gepubliceerd in de tijdschriften wetenschappelijke vooruitgang en Natuurcommunicatie , onthult hoe de naaste buren bepalen hoe goed nanodeeltjes werken in een katalysator.

"Het langetermijndoel van het onderzoek is om superdeeltjes te kunnen identificeren, om in de toekomst bij te dragen aan efficiëntere katalysatoren. Om de middelen beter te benutten dan nu, we willen ook dat zoveel mogelijk deeltjes tegelijkertijd actief deelnemen aan de katalytische reactie, ", zegt onderzoeksleider Christoph Langhammer van de afdeling Natuurkunde van de Chalmers University of Technology.

Stel je voor dat een grote groep buren samenkomt om een ​​gemeenschappelijke binnenplaats schoon te maken. Ze gingen aan de slag, ieder draagt ​​bij aan de groepsinspanning. Het enige probleem is dat niet iedereen even actief is. Terwijl sommigen hard en efficiënt werken, anderen lopen rond, kletsen en koffie drinken. Als je alleen naar het eindresultaat kijkt, het zou moeilijk zijn om te weten wie het meest werkte, en die gewoon ontspannen. Om dat te bepalen, u zou elke persoon gedurende de dag moeten controleren. Hetzelfde geldt voor de activiteit van metallische nanodeeltjes in een katalysator.

De jacht op effectievere katalysatoren door middel van nabuurschapssamenwerking

In een katalysator beïnvloeden verschillende deeltjes hoe effectief de reacties zijn. Sommige deeltjes in de menigte zijn effectief, terwijl anderen inactief zijn. Maar de deeltjes zijn vaak verborgen in verschillende "poriën, "net als in een spons, en zijn daarom moeilijk te bestuderen.

Om te kunnen zien wat er werkelijk gebeurt in een katalysatorporie, de onderzoekers van Chalmers University of Technology isoleerden een handvol koperdeeltjes in een transparant glazen nanobuisje. Als er meerdere zijn verzameld in de kleine met gas gevulde pijp, wordt het mogelijk om te bestuderen welke deeltjes wat doen, en wanneer, in reële omstandigheden.

In de buis, de deeltjes komen in contact met een instromend gasmengsel van zuurstof en koolmonoxide. Wanneer deze stoffen met elkaar reageren op het oppervlak van de koperdeeltjes, koolstofdioxide wordt gevormd. Het is dezelfde reactie die optreedt wanneer uitlaatgassen worden gezuiverd in de katalysator van een auto, behalve daar, deeltjes platina, palladium en rhodium worden vaak gebruikt om het giftige koolmonoxide af te breken in plaats van koper. Maar deze metalen zijn duur en schaars, daarom zoeken onderzoekers naar meer hulpbronnenefficiënte alternatieven.

"Koper kan een interessante kandidaat zijn voor het oxideren van koolmonoxide. De uitdaging is dat koper de neiging heeft om zichzelf te veranderen tijdens de reactie, en we moeten kunnen meten welke oxidatietoestand een koperdeeltje heeft wanneer het het meest actief is in de katalysator. Met onze nanoreactor die een porie in een echte katalysator nabootst, dit zal nu mogelijk zijn, " zegt David Albinsson, Postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers en eerste auteur van twee wetenschappelijke artikelen die onlangs zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang en Natuurcommunicatie .

Iedereen die een oud koperen dak of standbeeld heeft gezien, zal herkennen hoe het roodbruine metaal snel groen wordt na contact met de lucht en verontreinigende stoffen. Iets soortgelijks gebeurt met de koperdeeltjes in de katalysatoren. Het is daarom belangrijk om ze op een effectieve manier te laten samenwerken.

"Wat we nu hebben aangetoond, is dat de oxidatietoestand van een deeltje tijdens de reactie dynamisch kan worden beïnvloed door zijn naaste buren. De hoop is daarom dat we uiteindelijk middelen kunnen besparen met behulp van geoptimaliseerde samenwerking tussen buren in een katalysator, " zegt Christoph Langhammer, professor aan het departement Natuurkunde in Chalmers.