Оксиды церия, соединения церия редкоземельного металла с кислородом, являются одними из наиболее важных оксидов для технических применений. Церий в основном используется в гетерогенном катализе, например, в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов легковых автомобилей, фотокатализе в солнечных элементах, расщеплении воды или разложении загрязняющих веществ.
Церий, используемый в каталитических нейтрализаторах, имеет форму порошка. Он состоит из наноразмерных частиц (один нанометр соответствует одной миллиардной метра) очень сложной структуры.
Особое расположение атомов металла и кислорода на поверхности определяет физические и химические свойства церия. Однако до сих пор невозможно точно проанализировать процессы перестройки и реконструкции, происходящие на поверхности наночастиц.В KIT ученые Института функциональных интерфейсов (IFG) под руководством профессора Кристофа Волля разработали новый метод изучения химических свойств оксидных поверхностей в последние годы: они используют небольшие молекулы, такие как оксид углерода (CO), молекулярные кислород (O2) или закись азота (N2O) в качестве молекул зонда. Эти молекулы прикрепляются к поверхности наночастиц оксида.
Затем исследователи определяют частоты колебаний молекул зонда. «Этот подход привел к значительному прогрессу в понимании поверхностных свойств наночастиц церия», — говорит Кристоф Волл.Вместе с учеными Института исследований и технологий катализа (IKFT) KIT, Humboldt-Universitat zu Berlin, Университета Удине / Италия и Политехнического университета Каталонии в Барселоне / Испании исследователи IFG изучили различные аспекты поверхности. структура и химическая активность наночастиц церия. Их результаты теперь опубликованы в трех статьях в журнале Angewandte Chemie (прикладная химия).Основная причина достигнутого прогресса заключается в том, что исследователям удалось проверить частоты колебаний, измеренные для порошков, путем измерений с использованием точно определенных модельных веществ.
Для этого они применили сложную сверхвысоковакуумно-инфракрасную систему, единственную в своем роде в мире. Более того, они использовали результаты квантово-механических расчетов для выделения ранее неизвестных полос колебаний оксидных частиц. Таким образом, они получили совершенно новое, отчасти неожиданное понимание химии поверхности наночастиц церия.Ученые доказали, что поверхность наночастиц церия в форме стержня имеет ряд дефектов, таких как нано-грани пилообразной формы, кислородные вакансии, углы и края.
Эти неровности, вероятно, приводят к высокой каталитической активности таких наночастиц. Кроме того, исследователи обнаружили, что фотореактивность церия может быть значительно увеличена за счет образования кислородных вакансий, то есть незанятых кислородных центров.
Другое исследование дало основную информацию о положении кислородных вакансий на различных поверхностях оксида церия и их значении для активации кислорода. «Основываясь на наших выводах, мы можем теперь систематически развивать и оптимизировать наноразмерные каталитические преобразователи и фотокатализаторы на основе церия», — говорит профессор Волл.