Är du påverkad av dina grannar? Så är nanopartiklar i katalysatorer. Ny forskning från Chalmers tekniska högskola, Sverige, publiceras i tidskrifterna Vetenskapens framsteg och Naturkommunikation , avslöjar hur de närmaste grannarna avgör hur väl nanopartiklar fungerar i en katalysator.

"Det långsiktiga målet med forskningen är att kunna identifiera superpartiklar, för att bidra till effektivare katalysatorer i framtiden. För att utnyttja resurserna bättre än idag, vi vill också att så många partiklar som möjligt ska delta aktivt i den katalytiska reaktionen samtidigt, säger forskningsledare Christoph Langhammer vid institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola.

Föreställ dig en stor grupp grannar samlades för att städa en gemensam innergård. De satte igång med sitt arbete, var och en bidrar till grupparbetet. Problemet är bara att alla inte är lika aktiva. Medan vissa arbetar hårt och effektivt, andra strosar runt, chatta och dricka kaffe. Om du bara tittade på slutresultatet, det skulle vara svårt att veta vem som arbetade mest, och som helt enkelt slappnade av. För att fastställa det, du skulle behöva övervaka varje person under dagen. Detsamma gäller aktiviteten hos metalliska nanopartiklar i en katalysator.

Jakten på effektivare katalysatorer genom grannsamarbete

Inuti en katalysator påverkar flera partiklar hur effektiva reaktionerna är. Några av partiklarna i mängden är effektiva, medan andra är inaktiva. Men partiklarna är ofta gömda i olika "porer, "ungefär som i en svamp, och är därför svåra att studera.

För att kunna se vad som verkligen händer inuti en katalysatorpor, forskarna från Chalmers tekniska högskola isolerade en handfull kopparpartiklar i ett genomskinligt nanorör av glas. När flera är samlade i det lilla gasfyllda röret, det blir möjligt att studera vilka partiklar som gör vad, och när, under verkliga förhållanden.

I röret, partiklarna kommer i kontakt med en inströmmande gasblandning av syre och kolmonoxid. När dessa ämnen reagerar med varandra på ytan av kopparpartiklarna, koldioxid bildas. Det är samma reaktion som sker när avgaserna renas i en bils katalysator, förutom där, partiklar av platina, palladium och rodium används ofta för att bryta ner giftig kolmonoxid istället för koppar. Men dessa metaller är dyra och knappa, så forskare letar efter mer resurseffektiva alternativ.

"Koppar kan vara en intressant kandidat för att oxidera kolmonoxid. Utmaningen är att koppar har en tendens att förändra sig själv under reaktionen, och vi måste kunna mäta vilket oxidationstillstånd en kopparpartikel har när den är som mest aktiv inuti katalysatorn. Med vår nanoreaktor, som efterliknar en por inuti en riktig katalysator, detta kommer nu att vara möjligt, säger David Albinsson, Postdoktor vid institutionen för fysik på Chalmers och första författare till två vetenskapliga artiklar som nyligen publicerats i Vetenskapens framsteg och Naturkommunikation .

Den som har sett ett gammalt koppartak eller en staty kommer att känna igen hur den rödbruna metallen snart blir grön efter kontakt med luft och föroreningar. En liknande sak händer med kopparpartiklarna i katalysatorerna. Det är därför viktigt att få dem att samarbeta på ett effektivt sätt.

"Det vi har visat nu är att en partikels oxidationstillstånd dynamiskt kan påverkas av sina närmaste grannar under reaktionen. Förhoppningen är därför att vi så småningom kan spara resurser med hjälp av optimerat grannsamarbete i en katalysator, " säger Christoph Langhammer, professor vid institutionen för fysik på Chalmers.