Onderzoekers onderzoeken hoe nanodeeltjes buren beïnvloeden in katalyse

Heeft u last van uw buren? Net als nanodeeltjes in katalysatoren. Nieuw onderzoek van Chalmers University of Technology, Zweden, gepubliceerd in de tijdschriften Science Advances en Nature Communications, laat zien hoe de naaste buren bepalen hoe goed nanodeeltjes werken in een katalysator.

“Het langetermijndoel van het onderzoek is om superdeeltjes te kunnen identificeren, om zo bij te dragen aan efficiëntere katalysatoren in de toekomst. Om de middelen beter te benutten dan vandaag, willen we ook dat zoveel mogelijk deeltjes tegelijkertijd actief deelnemen aan de katalytische reactie,” zegt onderzoeksleider Christoph Langhammer bij de afdeling natuurkunde aan de Chalmers University of Technology.

Stel je voor dat een grote groep buren samenkomt om een ​​gemeenschappelijke binnenplaats schoon te maken. Ze gingen aan de slag en droegen allemaal bij aan de groepsinspanning. Het enige probleem is dat niet iedereen even actief is. Terwijl sommigen hard en efficiënt werken, slenteren anderen rond, kletsen en drinken koffie. Als je alleen naar het eindresultaat zou kijken, zou het moeilijk zijn om te weten wie het meest heeft gewerkt en wie zich gewoon ontspande. Om dat te bepalen, moet u elke persoon de hele dag in de gaten houden. Hetzelfde geldt voor de activiteit van metallische nanodeeltjes in een katalysator.

De jacht naar effectievere katalysatoren door samenwerking met de buren

In een katalysator beïnvloeden verschillende deeltjes hoe effectief de reacties zijn. Sommige deeltjes in de menigte zijn effectief, terwijl andere inactief zijn. Maar de deeltjes zijn vaak verborgen in verschillende “poriën,” net als in een spons, en daarom moeilijk te bestuderen.

Om te kunnen zien wat er werkelijk in een katalysatorporie gebeurt, isoleerden de onderzoekers van Chalmers University of Technology een handvol koperdeeltjes in een transparante glazen nanobuis. Als er meerdere bij elkaar komen in het kleine met gas gevulde buisje, wordt het mogelijk om te bestuderen welke deeltjes wat doen, en wanneer, in reële omstandigheden.

In de buis komen de deeltjes in contact met een instromend gasmengsel van zuurstof en koolmonoxide. Wanneer deze stoffen met elkaar reageren op het oppervlak van de koperdeeltjes, wordt kooldioxide gevormd. Het is dezelfde reactie die plaatsvindt wanneer uitlaatgassen worden gezuiverd in de katalysator van een auto, behalve dat daar vaak deeltjes platina, palladium en rhodium worden gebruikt om giftig koolmonoxide af te breken in plaats van koper. Maar deze metalen zijn duur en schaars, dus onderzoekers zoeken naar meer hulpbronnenefficiënte alternatieven.

“Koper kan een interessante kandidaat zijn voor het oxideren van koolmonoxide. De uitdaging is dat koper de neiging heeft zichzelf te veranderen tijdens de reactie, en we moeten kunnen meten welke oxidatietoestand een koperdeeltje heeft wanneer het het meest actief is in de katalysator. Met onze nanoreactor, die een porie in een echte katalysator nabootst, is dit nu mogelijk,” zegt David Albinsson, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling natuurkunde in Chalmers en eerste auteur van twee wetenschappelijke artikelen die onlangs zijn gepubliceerd in Science Advances en Nature Communications.

Iedereen die een oud koperen dak of standbeeld heeft gezien, zal herkennen hoe het roodbruine metaal snel groen wordt na contact met de lucht en verontreinigende stoffen. Iets soortgelijks gebeurt met de koperdeeltjes in de katalysatoren. Het is daarom belangrijk om ze op een effectieve manier met elkaar te laten samenwerken.

“Wat we nu hebben aangetoond, is dat de oxidatietoestand van een deeltje dynamisch kan worden beïnvloed door zijn naaste buren tijdens de reactie. De hoop is daarom dat we uiteindelijk middelen kunnen besparen met behulp van geoptimaliseerde burenamenwerking in een katalysator,” zegt Christoph Langhammer, professor aan de afdeling natuurkunde in Chalmers.