Катализаторы — это материалы, которые способствуют химическим реакциям, но не расходуются сами по себе. Сегодня катализаторы используются во многих промышленных процессах, от производства удобрений до производства пластмасс.
По этой причине катализаторы имеют огромное экономическое значение. Очень известный пример — каталитический нейтрализатор, устанавливаемый в выхлопных системах автомобилей. Они содержат драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий, которые позволяют превращать высокотоксичный оксид углерода (CO) в диоксид углерода (CO2) и снижать количество вредных оксидов азота (NOx).«Несмотря на их широкое использование и большое значение, мы все еще не знаем многих важных деталей того, как работают различные катализаторы», — объясняет Стирл, глава DESY NanoLab. «Вот почему мы давно хотели изучить реальные катализаторы в процессе эксплуатации».
Это непросто, потому что для того, чтобы сделать активную поверхность как можно большей, катализаторы обычно используются в форме крошечных наночастиц, и изменения, влияющие на их активность, происходят на их поверхности.Поверхностная деформация связана с химическим составомВ рамках европейского проекта Nanoscience Foundries и Fine Analysis (NFFA) команда DESY NanoLab разработала метод маркировки отдельных наночастиц и, таким образом, их идентификации в образце. «Для исследования мы вырастили наночастицы сплава платины с родием на подложке в лаборатории и пометили одну конкретную частицу», — говорит соавтор Томас Келлер из DESY NanoLab, ответственный за проект в DESY. «Диаметр меченой частицы составляет около 100 нанометров, и он похож на частицы, используемые в автомобильном каталитическом нейтрализаторе». Нанометр — это миллионная доля миллиметра.
Используя рентгеновские лучи из Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле, Франция, команда смогла не только создать подробное изображение наночастицы; он также измерил механическую деформацию на его поверхности. «Поверхностная деформация связана с составом поверхности, в частности, отношением платины к атомам родия», — объясняет соавтор Филипп Плелоу из Технологического института Карлсруэ (KIT), чья группа рассчитала деформацию как функцию состава поверхности. . Сравнивая наблюдаемую и вычисленную деформацию, зависящую от фасетки, можно сделать выводы о химическом составе на поверхности частицы. Различные поверхности наночастиц называются гранями, как и грани ограненного драгоценного камня.
Когда наночастица растет, ее поверхность состоит в основном из атомов платины, так как эта конфигурация является энергетически предпочтительной. Однако ученые изучили форму частицы и деформацию ее поверхности в разных условиях, включая условия эксплуатации автомобильного каталитического нейтрализатора. Для этого они нагрели частицу примерно до 430 градусов по Цельсию и позволили молекулам оксида углерода и кислорода пройти над ней. «В этих условиях реакции родий внутри частицы становится подвижным и мигрирует на поверхность, потому что он более сильно взаимодействует с кислородом, чем платина», — объясняет Плеву.
Это тоже предсказывает теория.«В результате деформация поверхности и форма частицы меняются», — сообщает соавтор Иван Вартанянц из DESY, команда которого преобразовала данные дифракции рентгеновских лучей в трехмерные пространственные изображения. «Происходит обогащение родием в зависимости от граней, в результате чего образуются дополнительные углы и кромки». Химический состав поверхности, форма и размер частиц существенно влияют на их функцию и эффективность.
Однако ученые только начинают понимать, как именно они связаны и как контролировать структуру и состав наночастиц. Рентгеновские лучи позволяют исследователям обнаруживать изменения в деформации всего на 0,1 на тысячу, что в этом эксперименте соответствует точности около 0,0003 нанометра (0,3 пикометра).
Решающий шаг к анализу материалов промышленных катализаторов«Теперь мы впервые можем наблюдать детали структурных изменений в таких наночастицах катализатора во время работы», — говорит Стирл, ведущий научный сотрудник DESY и профессор нанонауки в Гамбургском университете. «Это важный шаг вперед, который помогает нам понять целый класс реакций, в которых используются наночастицы сплава». Ученые из KIT и DESY теперь хотят систематически исследовать это в новом Центре совместных исследований 1441, финансируемом Немецким исследовательским фондом (DFG) и озаглавленном «Отслеживание активных участков в гетерогенном катализе для контроля выбросов (TrackAct)».«Наше исследование является важным шагом на пути к анализу промышленных каталитических материалов», — отмечает Стирл. До сих пор ученым приходилось выращивать модельные системы в лаборатории, чтобы проводить такие исследования. «В этом исследовании мы дошли до предела того, что мы можем сделать.
С помощью запланированного DESY рентгеновского микроскопа PETRA IV мы сможем рассматривать отдельные частицы в десять раз меньшего размера в реальных катализаторах и в условиях реакции».