Katalysatorer för rening av avgaser är mer effektiva när de använder nanopartiklar med många kanter. Detta är ett av resultaten i en studie som genomfördes på DESY:s röntgenkälla PETRA III. Ett team av forskare från DESY NanoLab såg live när skadlig kolmonoxid omvandlades till vanlig koldioxid på ytan av nanopartiklar av ädelmetall som de som används i bilars katalysatorer. Forskarna presenterar sina resultat i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Deras resultat tyder på att ett stort antal kanter ökar effektiviteten av katalytiska reaktioner, eftersom de olika aspekterna av nanopartiklarna ofta täcks av växande öar av en nanooxid, äntligen gör dessa aspekter inaktiva. Vid kanterna, oxidöarna kan inte ansluta, lämnar aktiva platser för den katalytiska reaktionen.

Katalysatorer använder vanligtvis nanopartiklar eftersom dessa har en mycket större yta för en given mängd av materialet, på vilken den katalytiska reaktionen kan äga rum. För studien som presenteras här, forskarna vid DESYs NanoLab odlade platina-rodium-nanopartiklar på ett substrat på ett sådant sätt att praktiskt taget alla partiklar var inriktade i samma riktning och hade samma form av trunkerade oktaedrar (oktaedrar liknar dubbla pyramider). Forskarna studerade sedan de katalytiska egenskaperna hos detta prov under de typiska arbetsförhållandena för en bilkatalysator, med olika gassammansättningar i en reaktionskammare som utsattes för intensiva röntgenstrålar från PETRA III på P09-strållinjen.

Effektiviteten hos katalytiska material kan mätas med en masspektrometer som avslöjar proportionerna av vissa typer av molekyler i avgasutsläppen, här de relativa koncentrationerna av kolmonoxid, syre och koldioxid. "Vi utför ett slags emissionstest på nanopartiklarna, " förklarar Uta Hejral, tidningens första författare, arbetar nu vid Lunds universitet i Sverige. På grund av den parallella inriktningen av nanopartiklarna, forskarna kunde också bestämma de ytor på nanopartiklarna där reaktionen gick särskilt bra. "Här kan vi verkligen följa reaktionen på atomär skala, " påpekar Hejral.

I vanliga fall, ädelmetallnanopartiklarna i en bils katalysator är fästa vid små smulor av substrat, som håller ihop och bildar komplexa strukturer. "Dessa är svåra att undersöka med röntgenstrålar, eftersom ädelmetallerna bara står för ett fåtal viktprocent och i synnerhet för att nanopartiklarna är inriktade i alla möjliga olika riktningar, " förklarar Andreas Stierle, som är ledande forskare vid DESY och professor i nanovetenskap vid universitetet i Hamburg. "Under röntgenbelysning, varje partikel producerar ett separat diffraktionsmönster och dessa överlappar varandra för att skapa en suddig bild. Genom att ha dem inriktade parallellt med varandra, å andra sidan, diffraktionsmönstren för alla nanopartiklar överlagras och förstärker varandra. Detta tillåter de olika aspekterna av nanopartiklarna, med andra ord deras individuella ytor, ska identifieras och särskilt observeras."

Undersökningen visade att nanopartiklarnas reaktivitet ökar kraftigt vid en viss syrekoncentration. "Detta händer när precis tillräckligt med syre är tillgängligt för att oxidera varje kolmonoxidmolekyl och förvandla den till koldioxid, " säger Stierle. Bortom den koncentrationen, reaktiviteten sjunker gradvis igen eftersom ett tjockt oxidskikt växer på ytan av partiklarna, hindrar reaktionen. Röntgenanalysen avslöjar atomstrukturen på nanopartiklarnas yta med den bästa upplösningen ännu under de förhållanden vid vilka reaktionen inträffar. Detta visar att när en viss syrekoncentration överskrids, de olika kristallytorna på nanopartiklarna blir belagda med en syre-rodium-syre-sandwich, tills metallens yta är helt täckt av detta nanooxidskikt.

"Ytoxiden bildar så småningom ett slutet lager över nanopartiklarna, " rapporterar Hejral. ​​"Detta är ogynnsamt för den önskade reaktionen till en början, eftersom det gör det svårt för kolmonoxidmolekyler att fästa sig på ytan. Dock, syret kan inte bilda en sluten film längs kanterna mellan nanopartiklarnas ytor, vilket innebär att reaktiviteten längs kanterna är högre." Detta fynd antyder en direkt väg för att göra katalysatorer mer effektiva:"Vi förväntar oss att katalysatorer blir allt effektivare ju fler kanter nanopartiklarna har för en given yta, " säger Stierle. Detta fynd kan förmodligen också appliceras på många andra katalytiska reaktioner. Ytterligare studier måste visa med hur mycket effektiviteten kan ökas som ett resultat.

DESY är ett av världens ledande partikelacceleratorcenter. Forskare använder de storskaliga anläggningarna på DESY för att utforska mikrokosmos i all dess variation – allt från interaktionen av små elementarpartiklar till beteendet hos innovativa nanomaterial och de vitala processerna som äger rum mellan biomolekyler till universums stora mysterier. Acceleratorerna och detektorerna som DESY utvecklar och bygger på sina platser i Hamburg och Zeuthen är unika forskningsverktyg. DESY är medlem i Helmholtz Association, och får sin finansiering från det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF) (90 procent) och de tyska förbundsstaterna Hamburg och Brandenburg (10 procent).