Metallic nanocatalysatoren: wat er echt gebeurt tijdens de katalyse

Met behulp van een combinatie van spectromicroscopie bij Bessy II en microscopische analyses bij Desy’s Nanolab, heeft een team nieuwe inzichten gekregen in het chemische gedrag van nanokatalysatoren tijdens katalyse.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

De nanodeeltjes bestonden uit een platinamore met een rhodiumschaal. Deze configuratie maakt een beter begrip van structurele veranderingen in, bijvoorbeeld rhodium -platina -katalysatoren voor emissiecontrole. De resultaten laten zien dat onder typische katalytische omstandigheden een deel van het rhodium in de schaal in het binnenste van de nanodeeltjes kan diffunderen. Het meeste blijft echter op het oppervlak en oxideert echter. Dit proces is sterk afhankelijk van de oppervlakte -oriëntatie van de nanodeeltjesfacetten.

Nanodeeltjes meten minder dan een diameter van een tienduizendste van een millimeter en hebben enorme oppervlakken in relatie tot hun massa. Dit maakt ze aantrekkelijk als katalysatoren: metalen nanodeeltjes kunnen chemische conversies vergemakkelijken, hetzij voor milieubescherming, industriële synthese of de productie van (duurzame) brandstoffen van CO₂ en waterstof.

Platinum kern met rhodium shell

Platina (PT) is een van de bekendste metaalkatalysatoren en wordt gebruikt in heterogene gasfasekatalyse voor emissiecontrole, bijvoorbeeld om giftig koolstofmonoxide in auto-uitlaatgassen van verbrandingsmotoren om te zetten in niet-toxische CO om₂.

“Het mengen van platinaldeeltjes met het element Rhodium (RH) kan de efficiëntie verder verhogen”, zegt Jagrati Dwivedi, eerste auteur van de publicatie. De locatie van de twee elementen speelt een belangrijke rol in dit proces. Zogenaamde kern-shell nanodeeltjes met een platinale kern en een extreem dunne rhodiumshell kunnen helpen bij het zoeken naar de optimale elementverdeling die de levensduur van de nanodeeltjes kan verlengen.

Experimenten bij Bessy II en Desy Nanolab

Tot nu toe was echter weinig bekend over hoe de chemische samenstelling van het oppervlak van een katalysator tijdens de werking verandert. Een team onder leiding van Dr. Thomas F. Keller, hoofd van de microscopiegroep in Desy Nanolab, heeft nu dergelijke kristallijne PT-RH-nanodeeltjes onderzocht in Bessy II en heeft nieuwe inzichten gekregen in de veranderingen aan de facetten van de polyhedrale nanodeeltjes.

De nanodeeltjes werden eerst gekarakteriseerd en gemarkeerd in hun omgeving met behulp van scanning -elektronenmicroscopie en atomaire krachtmicroscopie bij Desy Nanolab. Deze markers werden vervolgens gebruikt om dezelfde nanodeeltjes spectroscopisch te analyseren en ze microscopisch gelijktijdig in beeld te brengen met behulp van röntgenlicht op een speciaal instrument bij Bessy II.

Het slimme instrument van het Fritz Haber Institute van de Max Planck Society maakt röntgenfoto-emissie-elektronenmicroscopie (XPEEM) mogelijk in een microscoopmodus. Dit maakt het mogelijk om individuele elementen te onderscheiden met een hoge ruimtelijke resolutie, waardoor de observatie van chemische processen bij atomaire lagen in de buurt mogelijk is.

“Het instrument maakt de chemische analyse van individuele elementen mogelijk met een resolutie van 5-10 nanometers, wat uniek is”, zegt Keller.

Het onderzoek heeft aangetoond dat rhodium gedeeltelijk kan diffunderen in de platinacernen tijdens katalyse: beide elementen zijn mengbaar bij de typische bedrijfstemperaturen van de katalysator. Het mengen wordt verbeterd in een reducerende omgeving (h₂) en vertraagd in een oxiderende omgeving (O₂) zonder de netto stroom van rhodium om te keren in platina.

“Bij hogere temperaturen neemt dit proces zelfs aanzienlijk toe”, legt Keller uit.

Verschillende reactiesnelheden

De reactiesnelheden zijn ook afhankelijk van de oriëntatie van de facetten van de nanodeeltjes.

“Ze zijn bijzonder hoog op bepaalde facetten”, benadrukt Jagrati Dwivedi. “Onze facet-opgeloste studie toont aan dat rhodiumoxidatie het hoogst is op facetten met veel atomaire stappen, waar de atomen het gemakkelijkst zijn gebonden.”

Deze gedetailleerde analyse van het oxidatiegedrag zal bijdragen aan de verdere optimalisatie van dergelijke nanokatalysatoren, die tijdens gebruik onomkeerbare veranderingen kunnen ondergaan.