Ongekend beeld van een nanodeeltje van een enkele katalysator aan het werk

Een door DESY geleid onderzoeksteam heeft röntgenstralen met hoge intensiteit gebruikt om een ​​enkel katalysator-nanodeeltje op het werk te observeren. Het experiment heeft voor het eerst onthuld hoe de chemische samenstelling van het oppervlak van een individueel nanodeeltje verandert onder reactieomstandigheden, waardoor het actiever wordt. Het team onder leiding van Andreas Stierle van DESY presenteert zijn bevindingen in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang. Deze studie markeert een belangrijke stap naar een beter begrip van echte, industriële katalytische materialen.

Katalysatoren zijn materialen die chemische reacties bevorderen zonder zelf verbruikt te worden. Tegenwoordig worden katalysatoren gebruikt in tal van industriële processen, van de productie van kunstmest tot de productie van kunststoffen. Hierdoor zijn katalysatoren van groot economisch belang. Een heel bekend voorbeeld is de katalysator die in de uitlaatsystemen van auto’s is ingebouwd. Deze bevatten edele metalen zoals platina, rhodium en palladium, waarmee het zeer giftige koolmonoxide (CO) kan worden omgezet in kooldioxide (CO₂) en verminder de hoeveelheid schadelijke stikstofoxiden (NO_x).

“Ondanks het wijdverbreide gebruik en het grote belang ervan, zijn we nog steeds niet op de hoogte van veel belangrijke details over hoe de verschillende katalysatoren werken”, legt Stierle, hoofd van het DESY NanoLab, uit. “Daarom wilden we al lang echte katalysatoren bestuderen terwijl ze in bedrijf waren.” Dit is niet eenvoudig, want om het actieve oppervlak zo groot mogelijk te maken, worden katalysatoren meestal gebruikt in de vorm van minuscule nanodeeltjes, en de veranderingen die hun activiteit beïnvloeden, vinden op hun oppervlak plaats.

Oppervlaktebelasting heeft betrekking op chemische samenstelling

In het kader van het EU-project Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA) heeft het team van DESY NanoLab een techniek ontwikkeld om individuele nanodeeltjes te labelen en daarmee te identificeren in een monster. “Voor de studie hebben we nanodeeltjes van een platina-rhodiumlegering op een substraat in het laboratorium gekweekt en een specifiek deeltje gelabeld”, zegt co-auteur Thomas Keller van DESY NanoLab en verantwoordelijk voor het project bij DESY. “De diameter van het gelabelde deeltje is ongeveer 100 nanometer en is vergelijkbaar met de deeltjes die in de katalysator van een auto worden gebruikt.” Een nanometer is een miljoenste van een millimeter.

Met behulp van röntgenstralen van de European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble, Frankrijk, was het team niet alleen in staat om een ​​gedetailleerd beeld van het nanodeeltje te maken; het mat ook de mechanische spanning binnen het oppervlak. “De oppervlaktespanning is gerelateerd aan de oppervlaktesamenstelling, in het bijzonder de verhouding tussen platina en rhodiumatomen”, legt co-auteur Philipp Pleßow van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) uit, wiens groep de spanning berekende als een functie van de oppervlaktesamenstelling. Door de waargenomen en berekende facetafhankelijke stam te vergelijken, kunnen conclusies worden getrokken met betrekking tot de chemische samenstelling aan het deeltjesoppervlak. De verschillende oppervlakken van een nanodeeltje worden facetten genoemd, net als de facetten van een geslepen edelsteen.

Wanneer het nanodeeltje wordt gekweekt, bestaat het oppervlak voornamelijk uit platina-atomen, omdat deze configuratie energetisch de voorkeur heeft. De wetenschappers bestudeerden echter de vorm van het deeltje en zijn oppervlaktespanning onder verschillende omstandigheden, waaronder de bedrijfsomstandigheden van een autokatalysator. Om dit te doen, verwarmden ze het deeltje tot ongeveer 430 graden Celsius en lieten koolmonoxide- en zuurstofmoleculen eroverheen gaan. “Onder deze reactieomstandigheden wordt het rhodium in het deeltje mobiel en migreert het naar de oppervlakte omdat het sterker interageert met zuurstof dan het platina”, legt Pleßow uit. Dit wordt ook door de theorie voorspeld.

“Als gevolg hiervan veranderen de oppervlaktespanning en de vorm van het deeltje”, meldt co-auteur Ivan Vartaniants van DESY, wiens team de röntgendiffractiegegevens heeft omgezet in driedimensionale ruimtelijke beelden. “Er vindt een facetafhankelijke rhodiumverrijking plaats, waardoor extra hoeken en randen worden gevormd.” De chemische samenstelling van het oppervlak en de vorm en grootte van de deeltjes hebben een significant effect op hun functie en efficiëntie. Wetenschappers beginnen echter nog maar net te begrijpen hoe deze precies met elkaar verbonden zijn en hoe ze de structuur en samenstelling van de nanodeeltjes kunnen controleren. Met de röntgenfoto’s kunnen onderzoekers veranderingen van slechts 0,1 op duizend in de stam detecteren, wat in dit experiment overeenkomt met een precisie van ongeveer 0,0003 nanometer (0,3 picometer).

Cruciale stap in de analyse van industriële katalysatormaterialen

“We kunnen nu voor het eerst de details van de structurele veranderingen in dergelijke katalysator-nanodeeltjes observeren terwijl ze in bedrijf zijn”, zegt Stierle, hoofdwetenschapper bij DESY en professor voor nanowetenschappen aan de universiteit van Hamburg. “Dit is een grote stap voorwaarts en helpt ons een hele reeks reacties te begrijpen die gebruik maken van gelegeerde nanodeeltjes.” Wetenschappers van KIT en DESY willen dit nu systematisch onderzoeken in het nieuwe Collaborative Research Center 1441, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) en getiteld “Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)”.

“Ons onderzoek is een belangrijke stap in de richting van het analyseren van industriële katalytische materialen”, benadrukt Stierle. Tot nu toe moesten wetenschappers modelsystemen in het laboratorium laten groeien om dergelijke onderzoeken uit te voeren. “In deze studie zijn we tot het uiterste gegaan van wat kan worden gedaan. Met DESY’s geplande röntgenmicroscoop PETRA IV zullen we in staat zijn om naar tien keer kleinere individuele deeltjes te kijken in echte katalysatoren en onder reactieomstandigheden.” DESY is een van ’s werelds toonaangevende deeltjesversnellercentra en onderzoekt de structuur en functie van materie – van de interactie van kleine elementaire deeltjes en het gedrag van nieuwe nanomaterialen en vitale biomoleculen tot de grote mysteries van het universum. De deeltjesversnellers en detectoren die DESY ontwikkelt en bouwt op haar locaties in Hamburg en Zeuthen zijn unieke onderzoeksinstrumenten. Ze genereren de meest intense röntgenstraling ter wereld, versnellen deeltjes om energieën vast te leggen en openen nieuwe vensters op het universum. DESY is lid van de Helmholtz Association, de grootste wetenschappelijke vereniging van Duitsland, en wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) (90 procent) en de Duitse deelstaten Hamburg en Brandenburg (10 procent).