För att förstå strukturen och funktionen av katalysatorer i aktion, forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT), i samarbete med kollegor från Swiss Light Source SLS från Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz och European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike, har utvecklat ett nytt diagnostiskt verktyg. Operando röntgenspektroskopi visualiserar strukturen och gradienterna för komplexa tekniska katalysatorer i tre dimensioner, så att vi kan titta på fungerande kemiska reaktorer. Resultaten redovisas i Naturkatalys .

Katalys är oumbärlig för många grenar. 95% av alla kemikalier produceras med hjälp av katalysatorer. Katalysatorer spelar också en nyckelroll inom energiteknik och miljöskydd. Katalysatorer är material som används för att påskynda kemiska reaktioner för att minska energiförbrukningen och oönskade biprodukter. Denna kemisk-fysiska princip är grunden för hela system, exempel är katalysatorer i bilar eller katalysatorer i kraftverk för att avlägsna föroreningar från deras avgaser. Tekniska och industriella katalysatorer tillämpas också vid gödsel- och polymerproduktion. Ofta, de måste uppvisa högtrycksmotstånd och mekanisk hållfasthet, samtidigt som den fungerar under dynamiska miljöförhållanden. Även minsta effektivitet ökar avlägsnandet av föroreningar, såsom kolmonoxid, kväveoxider, och fint damm, från avgaser eller vid produktion av grönt väte kommer det att ge stora fördelar för människor och miljö. För att förbättra befintliga katalytiska material och processer, dock, exakt förståelse för deras funktion krävs. "Oavsett om det är i en stor kemisk reaktor, i ett batteri, eller under din bil - tekniska och industriella katalysatorer har ofta en mycket komplex struktur, "säger Dr Thomas Sheppard från Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) från KIT." För att verkligen förstå hur dessa material fungerar, vi måste titta inuti reaktorn när katalysatorn fungerar, helst med ett analysverktyg för att detektera den komplexa 3D-strukturen hos den aktiva katalysatorn. "

Operando röntgenspektroskopi ger 3D-bilder och viktig kemisk information

Thomas Sheppard ledde en studie om bilkatalysatorer, vars resultat nu redovisas i Naturkatalys av de involverade forskarna från KIT, PSI, och ESRF. För sina studier, laget använde en nyutvecklad installation och utförde tomografiexperiment vid synkrotronstrålningsanläggningar i Schweiz och Frankrike. Datortomografi ger 3D-bilder av ett prov, inklusive utsidan och insidan, utan att behöva klippa upp den. Genom att använda en speciell reaktor, forskarna utförde tomografi och röntgenspektroskopi för att spåra en aktiv katalytisk process. På det här sättet, de lyckades observera 3D-strukturen för en utsläppskontrollkatalysator under förhållanden precis som i ett verkligt bilavgaser. Denna så kallade operando-röntgenspektroskopi tillhandahåller inte bara provets 3D-struktur, men också viktig kemisk information.

Metod lämplig för olika katalysatorer

"Eftersom katalysatorer ofta har en ganska komplex och ojämn struktur, det är viktigt att veta om hela katalysatorvolymen eller endast delar av den utför sin kemiska funktion som avsett, "förklarar Johannes Becher från ITCP, en av huvudförfattarna till studien. "Operando röntgenspektroskopi låter oss se den specifika strukturen och funktionen för varje del. Detta berättar om katalysatorn fungerar med maximal effektivitet eller inte och, mer viktigt, det hjälper oss att förstå de underliggande processerna. "Under reaktionen, laget observerade en strukturell gradient av de aktiva koppararterna i katalysatorn, som inte kunde upptäckas tidigare med konventionella analysverktyg. Detta är viktig diagnostisk information vid prestanda för utsläppskontrollkatalysatorer. Själva metoden kan tillämpas på många olika katalysatorer och kemiska processer.

Nya möjligheter för material och reaktionsdiagnostik

Teamets studier visar hur visualisering av det kemiska tillståndet för en aktiv katalysator i 3D kan ge nya möjligheter för material och reaktionsdiagnostik. "Tills nu, det var inte möjligt att fritt välja någon del av en fungerande katalysator och förstå vilka reaktioner som sker där inne utan att störa den. Nu, vi kan följa exakt vilka reaktioner som uppstår, var, och varför, "säger professor Jan-Dierk Grunwaldt från ITCP." Detta är nyckeln till att förbättra vår förståelse av kemiska processer och utforma bättre och effektivare katalysatorer i framtiden. "Studier med operando röntgenspektroskopi kan utföras vid olika synkrotronstrålningskällor, förutsatt att det finns en lämplig provmiljö. Grupperna av Jan-Dierk Grunwaldt och Thomas Sheppard kommer att fortsätta sina undersökningar som en del av det nya Collaborative Research Center TrackAct vid KIT. TrackAct syftar till att förstå och förbättra utformningen och effektiviteten av utsläppskontrollkatalysatorer.