Каталитические преобразователи обычно используют наночастицы, потому что они имеют гораздо большую площадь поверхности для данного количества материала, на котором может происходить каталитическая реакция. Для исследования, представленного здесь, ученые из DESY NanoLab вырастили наночастицы платино-родиевого происхождения на подложке таким образом, чтобы практически все частицы были выровнены в одном направлении и имели одинаковую форму усеченных октаэдров (октаэдры напоминают двойные пирамиды). Затем ученые изучили каталитические свойства этого образца в типичных условиях работы автомобильного каталитического нейтрализатора с различным газовым составом в реакционной камере, которая подверглась интенсивному рентгеновскому излучению от PETRA III на канале P09.
Эффективность каталитических материалов можно измерить с помощью масс-спектрометра, который выявляет пропорции определенных типов молекул в выхлопных газах, в данном случае относительные концентрации оксида углерода, кислорода и диоксида углерода. «Мы проводим своего рода тест на эмиссию наночастиц», — объясняет Ута Хейрал, первый автор статьи, сейчас работающая в Лундском университете в Швеции. Благодаря параллельному расположению наночастиц, ученые также смогли определить те поверхности наночастиц, на которых реакция прошла особенно хорошо. «Здесь мы действительно можем проследить реакцию в атомном масштабе», — отмечает Хейрал.Обычно наночастицы благородных металлов в автомобильном каталитическом нейтрализаторе прикрепляются к крошечным крошкам субстрата, которые слипаются, образуя сложные структуры. «Их трудно исследовать с помощью рентгеновских лучей, потому что благородные металлы составляют всего несколько процентов по массе и, в частности, потому, что наночастицы выровнены во всевозможных различных направлениях», — объясняет Андреас Стирл, ведущий ученый DESY и профессор нанонауки Гамбургского университета. «При освещении рентгеновскими лучами каждая частица создает отдельную дифракционную картину, и они перекрываются, создавая размытое изображение.
С другой стороны, располагая их параллельно друг другу, дифракционные картины всех наночастиц накладываются друг на друга и усиливают каждую. другое. Это позволяет идентифицировать и конкретно наблюдать различные грани наночастиц, другими словами, их отдельные поверхности ».Исследование показало, что реакционная способность наночастиц резко возрастает при определенной концентрации кислорода. «Это происходит, когда кислорода достаточно, чтобы окислить каждую молекулу окиси углерода и превратить ее в двуокись углерода», — говорит Стирл.
За пределами этой концентрации реакционная способность снова постепенно падает, поскольку на поверхности частиц растет толстый оксидный слой, препятствуя реакции. Рентгеновский анализ выявляет атомную структуру поверхности наночастиц с наилучшим разрешением еще в условиях, при которых происходит реакция. Это показывает, что при превышении определенной концентрации кислорода различные кристаллические грани наночастиц покрываются сэндвичем кислород-родий-кислород, пока в конечном итоге поверхность металла не будет полностью покрыта этим слоем нанооксида.«Поверхностный оксид в конечном итоге образует закрытый слой над наночастицами», — сообщает Хейрал. «Это поначалу неблагоприятно для желаемой реакции, потому что из-за этого молекулы монооксида углерода затрудняются прикрепляться к поверхности.
Однако кислород не может образовывать замкнутую пленку по краям между гранями наночастиц, что означает что реактивность по краям выше ". Это открытие предполагает прямой путь к повышению эффективности каталитических преобразователей: «Мы ожидаем, что каталитические преобразователи будут тем эффективнее, чем больше у наночастиц граней на заданной площади поверхности», — говорит Стирл. Это открытие, вероятно, может быть применено и ко многим другим каталитическим реакциям.
Дополнительные исследования должны будут показать, насколько в результате можно повысить эффективность.DESY — один из ведущих мировых центров ускорителей частиц. Исследователи используют крупномасштабные объекты DESY для изучения микрокосма во всем его разнообразии — от взаимодействия крошечных элементарных частиц до поведения инновационных наноматериалов и жизненно важных процессов, происходящих между биомолекулами, и до великих загадок Вселенной. Ускорители и детекторы, которые DESY разрабатывает и строит на своих предприятиях в Гамбурге и Цойтене, являются уникальными инструментами исследования.
DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).