En DESY-ledd forskargrupp har använt högintensiva röntgenstrålar för att observera en enda katalysatornanopartikel i arbete. Experimentet har för första gången avslöjat hur den kemiska sammansättningen av ytan på en enskild nanopartikel förändras under reaktionsförhållanden, gör det mer aktivt. Teamet som leds av DESYs Andreas Stierle presenterar sina resultat i tidskriften Vetenskapens framsteg . Denna studie markerar ett viktigt steg mot en bättre förståelse av verkliga, industriella katalytiska material.

Katalysatorer är material som främjar kemiska reaktioner utan att själva förbrukas. I dag, katalysatorer används i många industriella processer, från konstgödseltillverkning till plasttillverkning. På grund av detta, katalysatorer är av enorm ekonomisk betydelse. Ett mycket välkänt exempel är katalysatorn som är installerad i bilars avgassystem. Dessa innehåller ädelmetaller som platina, rodium och palladium, som gör att mycket giftig kolmonoxid (CO) kan omvandlas till koldioxid (CO ₂ ) och minska mängden skadliga kväveoxider (NO _x ).

"Trots deras utbredda användning och stora betydelse, vi är fortfarande okunniga om många viktiga detaljer om hur de olika katalysatorerna fungerar, " förklarar Stierle, chef för DESY NanoLab. "Det är därför vi länge har velat studera riktiga katalysatorer under drift." Det här är inte lätt, för att göra den aktiva ytan så stor som möjligt, katalysatorer används vanligtvis i form av små nanopartiklar, och de förändringar som påverkar deras aktivitet sker på deras yta.

Yttöjning relaterar till kemisk sammansättning

Inom ramen för EU-projektet Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), teamet från DESY NanoLab har utvecklat en teknik för att märka enskilda nanopartiklar och därigenom identifiera dem i ett prov. "För studien, vi odlade nanopartiklar av en platina-rodiumlegering på ett substrat i labbet och märkte en specifik partikel, " säger medförfattaren Thomas Keller från DESY NanoLab och ansvarig för projektet på DESY. "Den märkta partikelns diameter är cirka 100 nanometer, och det liknar partiklarna som används i en bils katalysator." En nanometer är en miljondels millimeter.

Med hjälp av röntgenstrålar från European Synchrotron Radiation Facility ESRF i Grenoble, Frankrike, teamet kunde inte bara skapa en detaljerad bild av nanopartikeln; den mätte också den mekaniska töjningen i dess yta. "Ytspänningen är relaterad till ytsammansättningen, i synnerhet förhållandet mellan platina och rodiumatomer, " förklarar medförfattaren Philipp Pleßow från Karlsruhe Institute of Technology (KIT), vars grupp beräknade töjningen som en funktion av ytsammansättningen. Genom att jämföra den observerade och beräknade facettberoende stammen, slutsatser kan dras angående den kemiska sammansättningen vid partikelytan. De olika ytorna på en nanopartikel kallas fasetter, precis som aspekterna av en slipad ädelsten.

När nanopartikeln odlas, dess yta består huvudsakligen av platinaatomer, eftersom denna konfiguration är energiskt gynnad. Dock, forskarna studerade formen på partikeln och dess ytspänning under olika förhållanden, inklusive driftsförhållandena för en bilkatalysator. Att göra detta, de värmde upp partikeln till cirka 430 grader Celsius och lät kolmonoxid och syremolekyler passera över den. "Under dessa reaktionsförhållanden, rodiumet inuti partikeln blir rörligt och migrerar till ytan eftersom det interagerar starkare med syre än platina, " förklarar Pleßow. Detta förutsägs också av teorin.

"Som ett resultat, yttöjningen och formen på partikeln förändras, " rapporterar medförfattaren Ivan Vartaniants, från DESY, vars team konverterade röntgendiffraktionsdata till tredimensionella rumsliga bilder. "En facettberoende rodiumberikning äger rum, varigenom ytterligare hörn och kanter bildas." Ytans kemiska sammansättning, och formen och storleken på partiklarna har en betydande effekt på deras funktion och effektivitet. Dock, forskare har bara precis börjat förstå exakt hur dessa hänger ihop och hur man kontrollerar strukturen och sammansättningen av nanopartiklarna. Röntgenstrålar gör det möjligt för forskare att upptäcka förändringar på så lite som 0,1 av tusen i stammen, vilket i detta experiment motsvarar en precision på cirka 0,0003 nanometer (0,3 pikometre).

Avgörande steg mot att analysera industriella katalysatormaterial

"Vi kan nu för första gången, observera detaljerna i de strukturella förändringarna i sådana katalysatornanopartiklar under drift, säger Stierle, Lead Scientist vid DESY och professor i nanovetenskap vid universitetet i Hamburg. "Detta är ett stort steg framåt och hjälper oss att förstå en hel klass av reaktioner som använder legerade nanopartiklar." Forskare vid KIT och DESY vill nu utforska detta systematiskt på det nya Collaborative Research Center 1441, finansierat av den tyska forskningsstiftelsen (DFG) och med titeln "Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)".

"Vår undersökning är ett viktigt steg mot att analysera industriella katalytiska material, " påpekar Stierle. Tills nu, forskare har varit tvungna att odla modellsystem i laboratoriet för att kunna genomföra sådana undersökningar. "I den här studien, vi har gått till gränsen för vad som kan göras. Med DESYs planerade röntgenmikroskop PETRA IV, vi kommer att kunna titta på tio gånger mindre enskilda partiklar i riktiga katalysatorer, och under reaktionsförhållanden." DESY är ett av världens ledande partikelacceleratorcenter och undersöker materiens struktur och funktion – från interaktionen mellan små elementarpartiklar och beteendet hos nya nanomaterial och vitala biomolekyler till universums stora mysterier. partikelacceleratorer och detektorer som DESY utvecklar och bygger på sina platser i Hamburg och Zeuthen är unika forskningsverktyg som genererar den mest intensiva röntgenstrålningen i världen, accelerera partiklar för att registrera energier och öppna nya fönster mot universum. DESY är medlem i Helmholtz Association, Tysklands största vetenskapliga sammanslutning, och får sin finansiering från det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF) (90 procent) och de tyska förbundsstaterna Hamburg och Brandenburg (10 procent).