(Phys.org) — Atomskaliga ögonblicksbilder av en bimetallisk nanopartikelkatalysator i aktion har gett insikter som kan hjälpa till att förbättra den industriella processen genom vilken bränslen och kemikalier syntetiseras från naturgas, kol eller växtbiomassa. Ett multinationellt labbsamarbete ledd av forskare med det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har tagit den mest detaljerade titten någonsin på utvecklingen av platina/kobolt bimetalliska nanopartiklar under reaktioner i syre och vätgas.

"Med in situ aberrationskorrigerad transmissionselektronmikroskopi (TEM), vi fann att under oxidationsreaktionen, koboltatomer migrerar till nanopartikelytan, bildar en epitaxiell koboltoxidfilm, som vatten på olja, " säger Haimei Zheng, en stabsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde denna studie. "Under vätereduktionsreaktionen, koboltatomer migrerar tillbaka in i bulken, lämnar ett monolager av platina på ytan. Denna atominformation ger en viktig referenspunkt för att designa och konstruera bättre bimetalliska katalysatorer i framtiden."

Zheng, en mottagare 2011 av ett DOE Office of Science Early Career Award, är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i tidskriften Nanobokstäver med titeln "Avslöjar den atomära omstruktureringen av Pt-Co-nanopartiklar." Medförfattare på Berkeley är Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin-Wang Wang, Miquel Salmeron och Gabor Somorjai. Andra medförfattare är Chong-Min Wang och Libor Kovarik, från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Eric Stach från Brookhaven National Laboratory (BNL), och Arda Genc från FEI Company i Oregon.

Bimetallkatalysatorer drar stor uppmärksamhet från den kemiska industrin i dessa dagar eftersom de i många fall erbjuder överlägsna prestanda jämfört med sina monometalliska motsvarigheter. Det finns också möjlighet att ställa in deras katalytiska prestanda för att möta specifika behov. En bimetallisk katalysator av särskilt intresse innebär parning av platina, guldstandarden för monometalliska katalysatorer, med kobolt, en mindre katalysator men en som är dramatiskt billigare än platina. Platina/koboltkatalysatorn anses inte bara vara ett modellsystem för studier av andra bimetalliska nanokatalysatorer, det är också en utmärkt promotor för den mycket använda Fischer-Tropsch-processen, där blandningar av väte och kolmonoxid omvandlas till långkedjiga kol för användning som bränsle eller i lågtemperaturbränsleceller.

"Medan det har gjorts många studier på platina/kobolt och andra bimetalliska katalysatorer, information om hur reaktioner går atomärt och hur morfologin ser ut har saknats, ", säger Zheng. "För att få denna information var det nödvändigt att kartlägga atomstrukturerna i reaktiva miljöer på plats, vilket vi gjorde med hjälp av specialutrustade TEMs."

In situ miljö-TEM-experimenten utfördes vid både Environmental Molecular Sciences Laboratory, som ligger på PNNL, och på BNL:s centrum för funktionella nanomaterial. Ex situ aberrationskorrigerad TEM-avbildning gjordes vid Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy med användning av TEAM 0.5, världens mest kraftfulla TEM.

"Detta arbete är ett utmärkt exempel på samarbetande lagarbete mellan flera institut, ", säger Zheng. "Att ha tillgång till sådana avancerade resurser och att kunna bilda så nära teamsamarbeten stärker vår förmåga att ta itu med utmanande vetenskapliga problem."

De in situ aberrationskorrigerade TEM-studierna av Zheng och hennes kollegor avslöjade att på grund av en storleksfel överensstämmelse mellan gittren i koboltoxidens epitaxialfilm och platinaytan, koboltoxidgittret är trycktöjt vid gränsytan för att passa på platinagittret. När spänningsenergin slappnar av, koboltoxidfilmen börjar brytas upp för att bilda distinkta molekylära öar på platinaytan. Detta minskar den effektiva reaktionsytan per volym och skapar katalytiska tomrum, båda påverkar den totala katalytiska prestandan.

"Genom att ta hänsyn till denna segregation av platina- och koboltatomerna, gränsytans stam som uppstår under oxidation kan förutsägas, " säger Zheng. "Vi kan sedan designa nanopartikelkatalysatorer för att säkerställa att materialet med högre katalytisk prestanda under reaktioner kommer att finnas på ytan av nanopartiklarna."

Zheng tillägger att förmågan att observera detaljer i atomskala av utvecklingen av strukturen hos nanopartiklar i deras reaktiva miljöer inte bara öppnar vägen för en djupare förståelse av bimetallisk nanopartikelkatalys, det möjliggör också studier av ett bredare utbud av nanopartikelsystem där reaktionsvägar förblir svårfångade.