Een door DESY geleid onderzoeksteam heeft röntgenstralen met hoge intensiteit gebruikt om een ​​enkel katalysator-nanodeeltje op het werk te observeren. Het experiment heeft voor het eerst onthuld hoe de chemische samenstelling van het oppervlak van een individueel nanodeeltje verandert onder reactieomstandigheden, waardoor het actiever wordt. Het team onder leiding van Andreas Stierle van DESY presenteert zijn bevindingen in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Deze studie markeert een belangrijke stap naar een beter begrip van reële, industriële katalytische materialen.

Katalysatoren zijn materialen die chemische reacties bevorderen zonder zelf verbruikt te worden. Vandaag, katalysatoren worden gebruikt in tal van industriële processen, van kunstmestproductie tot het vervaardigen van kunststoffen. Daarom, katalysatoren zijn van groot economisch belang. Een heel bekend voorbeeld is de katalysator die in de uitlaatsystemen van auto's is ingebouwd. Deze bevatten edele metalen zoals platina, rhodium en palladium, waarmee het zeer giftige koolmonoxide (CO) kan worden omgezet in kooldioxide (CO ₂ ) en de hoeveelheid schadelijke stikstofoxiden (NO _x ).

"Ondanks het wijdverbreide gebruik en het grote belang, we zijn nog steeds niet op de hoogte van veel belangrijke details over hoe de verschillende katalysatoren werken, " legt Stierle uit, hoofd van het DESY NanoLab. "Daarom wilden we al lang echte katalysatoren bestuderen terwijl ze in bedrijf waren." Dit is niet makkelijk, omdat om het actieve oppervlak zo groot mogelijk te maken, katalysatoren worden meestal gebruikt in de vorm van kleine nanodeeltjes, en de veranderingen die hun activiteit beïnvloeden, vinden plaats op hun oppervlak.

Oppervlaktebelasting heeft betrekking op chemische samenstelling

In het kader van het EU-project Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), het team van DESY NanoLab heeft een techniek ontwikkeld om individuele nanodeeltjes te labelen en daarmee te identificeren in een monster. "Voor de studie we kweekten nanodeeltjes van een platina-rhodiumlegering op een substraat in het laboratorium en labelden één specifiek deeltje, " zegt co-auteur Thomas Keller van DESY NanoLab en verantwoordelijk voor het project bij DESY. "De diameter van het gelabelde deeltje is ongeveer 100 nanometer, en het is vergelijkbaar met de deeltjes die in de katalysator van een auto worden gebruikt." Een nanometer is een miljoenste millimeter.

Met behulp van röntgenstralen van de European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble, Frankrijk, het team was niet alleen in staat om een ​​gedetailleerd beeld van het nanodeeltje te maken; het mat ook de mechanische spanning binnen het oppervlak. "De oppervlaktespanning is gerelateerd aan de oppervlaktesamenstelling, in het bijzonder de verhouding tussen platina en rhodiumatomen, " legt co-auteur Philipp Pleßow van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) uit, waarvan de groep de spanning berekende als een functie van de oppervlaktesamenstelling. Door de waargenomen en berekende facetafhankelijke stam te vergelijken, conclusies kunnen worden getrokken over de chemische samenstelling aan het deeltjesoppervlak. De verschillende oppervlakken van een nanodeeltje worden facetten genoemd, net als de facetten van een geslepen edelsteen.

Wanneer het nanodeeltje is gegroeid, het oppervlak bestaat voornamelijk uit platina-atomen, aangezien deze configuratie energetisch de voorkeur geniet. Echter, de wetenschappers bestudeerden de vorm van het deeltje en zijn oppervlaktespanning onder verschillende omstandigheden, inclusief de bedrijfsomstandigheden van een autokatalysator. Om dit te doen, ze verhitten het deeltje tot ongeveer 430 graden Celsius en lieten er koolmonoxide- en zuurstofmoleculen overheen gaan. "Onder deze reactieomstandigheden, het rhodium in het deeltje wordt mobiel en migreert naar de oppervlakte omdat het sterker in wisselwerking staat met zuurstof dan het platina, " legt Pleßow uit. Dit wordt ook voorspeld door de theorie.

"Als resultaat, de oppervlaktespanning en de vorm van het deeltje veranderen, " meldt co-auteur Ivan Vartaniants, van DESY, wiens team de röntgendiffractiegegevens heeft omgezet in driedimensionale ruimtelijke beelden. "Er vindt een facetafhankelijke rhodiumverrijking plaats, waardoor extra hoeken en randen ontstaan." De chemische samenstelling van het oppervlak, en de vorm en grootte van de deeltjes hebben een significant effect op hun functie en efficiëntie. Echter, wetenschappers beginnen nog maar net te begrijpen hoe deze precies met elkaar verbonden zijn en hoe ze de structuur en samenstelling van de nanodeeltjes kunnen controleren. Met de röntgenfoto's kunnen onderzoekers veranderingen van slechts 0,1 op duizend in de stam detecteren, wat in dit experiment overeenkomt met een nauwkeurigheid van ongeveer 0,0003 nanometer (0,3 picometer).

Cruciale stap in de analyse van industriële katalysatormaterialen

"Wij kunnen nu Voor de eerste keer, observeer de details van de structurele veranderingen in dergelijke katalysator-nanodeeltjes terwijl ze in bedrijf zijn, " zegt Stierle, Hoofdwetenschapper bij DESY en professor voor nanowetenschappen aan de Universiteit van Hamburg. "Dit is een grote stap voorwaarts en helpt ons een hele reeks reacties te begrijpen die gebruik maken van gelegeerde nanodeeltjes." Wetenschappers van KIT en DESY willen dit nu systematisch onderzoeken in het nieuwe Collaborative Research Center 1441, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) en getiteld "Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)".

"Ons onderzoek is een belangrijke stap in de richting van het analyseren van industriële katalytische materialen, Stierle merkt op. Tot nu toe wetenschappers hebben modelsystemen in het laboratorium moeten laten groeien om dergelijke onderzoeken uit te voeren. "In dit onderzoek, we zijn tot het uiterste gegaan van wat kan worden gedaan. Met DESY's geplande röntgenmicroscoop PETRA IV, we zullen in staat zijn om naar tien keer kleinere individuele deeltjes te kijken in echte katalysatoren, en onder reactieomstandigheden." DESY is een van 's werelds toonaangevende deeltjesversnellercentra en onderzoekt de structuur en functie van materie - van de interactie van kleine elementaire deeltjes en het gedrag van nieuwe nanomaterialen en vitale biomoleculen tot de grote mysteries van het universum. deeltjesversnellers en detectoren die DESY ontwikkelt en bouwt op haar locaties in Hamburg en Zeuthen, zijn unieke onderzoeksinstrumenten die de meest intense röntgenstraling ter wereld genereren, deeltjes versnellen om energieën vast te leggen en nieuwe vensters op het universum te openen. DESY is lid van de Helmholtz Vereniging, Duitslands grootste wetenschappelijke 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).