Vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT), forskare har studerat cerananopartiklar med hjälp av sondmolekyler och ett komplext ultrahögt vakuum-infrarött mätsystem och fått nya insikter om deras ytstruktur och kemisk aktivitet. Deras arbete rapporteras i tre artiklar publicerade i tidningen Angewandte Chemie .
Ceriumoxider, syreföreningar och cerium av sällsynt jordartsmetall, är bland de viktigaste oxiderna för tekniska tillämpningar. Ceria används främst vid heterogen katalys, exempel är avgaskatalysatorer för personbilar, fotokatalys i solceller, vattensplittring, eller sönderdelning av föroreningar. Ceria, som används i katalysatorer, är i form av ett pulver. Den består av nanoskalade partiklar med mycket komplex struktur. Specialarrangemang av metall- och syreatomerna på ytan bestämmer de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos cerium. Än så länge, dock, det har varit omöjligt att exakt analysera omorganisations- och rekonstruktionsprocesser som äger rum på ytan av nanopartiklarna.
På KIT, forskare vid Institute of Functional Interfaces (IFG) under ledning av professor Christof Wöll etablerade en ny metod för att studera kemiska egenskaper hos oxidytor under de senaste åren. De använde små molekyler, såsom kolmonoxid (CO), molekylärt syre (O2), eller lustgas (N2O), som sondmolekyler. Dessa molekyler fäster vid ytan av oxid -nanopartiklarna. Sedan, forskarna bestämmer vibrationsfrekvenser för sondmolekylerna. "Detta tillvägagångssätt har lett till stora framsteg i förståelsen av ytegenskaper för ceria nanopartiklar, "Säger Christof Wöll.
Tillsammans med forskare vid Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) i KIT, Humboldt-Universität zu Berlin, universitetet i Udine/Italien, och Polytechnical University of Catalonia i Barcelona/Spanien, IFG -forskarna studerade olika aspekter av ytstrukturen och den kemiska aktiviteten hos ceria nanopartiklar.
Huvudorsaken till framstegen är att forskarna lyckades verifiera vibrationsfrekvenserna som mäts för pulvren genom mätningar med exakt definierade modellämnen. De använde ett unikt ultrahögt vakuum-infrarött system. Dessutom, de använde kvantmekanikberäkningar för att fördela de tidigare okända vibrationsbanden för oxidpartiklarna. På det här sättet, de fick helt nya insikter om ytkemi av ceria nanopartiklar.
Forskarna bevisade att ytan på en stångformad ceria nanopartikel har ett antal defekter, såsom sågtandformade nanofasetter, syrevakanser, hörn, och kanter. Dessa oegentligheter leder förmodligen till den höga katalytiska aktiviteten hos sådana nanopartiklar. Dessutom, forskarna fann att fotoreaktivitet av ceria kan förbättras avsevärt genom att generera syrevakanser, dvs obebodda syreställen. En annan studie gav grundläggande information om positionen för syrevakanser på olika keramiska ytor och deras relevans för syreaktivering. "Baserat på våra resultat vi kan nu systematiskt vidareutveckla och optimera nanoskalade ceriabaserade katalytiska omvandlare och fotokatalysatorer, "Säger professor Wöll.
