科学家首次用实验揭示了单个催化剂纳米粒子变活跃的情况

2021-10-07 15:36:14
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DESY领导的研究小组使用高强度的x射线观察单个催化剂纳米粒子的工作状况。该实验首次揭示了单个纳米粒子表面的化学成分在反应条件下如何变化,使其更加活跃。DESYAndreas,Stierle领导的团队在《Scienceadvances》中介绍了他们的发现。

这项研究标志着向更好地理解真正的工业催化材料迈出了重要的一步。
催化剂是促进化学反应而不消耗自己的材料。如今,催化剂被用于许多工业过程,从化肥生产到塑料制造。正因如此,催化剂具有巨大的经济意义。非常有名的例子是设置在汽车排气系统中的催化器。这些催化器包括铂、铑和钯等贵金属,可以将剧毒的一氧化碳(CO)转化为二氧化碳(CO2),减少有害的氮氧化物(NOx)的数量。
虽然应用广泛,很重要,但我们对各种催化剂如何工作的重要细节一无所知。DESY纳米实验室负责人Stierle说:为什么我们想长期在运行中研究真正的催化剂呢?然而这项工作并不容易,为了使活性表面尽可能大,催化剂通常以微小的纳米颗粒形式使用,并且影响其活性的变化发生在其表面。
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  表面应变与化学成分有关。
在欧盟纳米科学铸造和精细分析(NFFA)项目框架内,DESY纳米实验室团队研发出一种用于标记单个纳米颗粒的技术,可以在样品中识别。为了这项研究,我们在实验室的一个基础上培育了铂铑合金的纳米颗粒,并标记了特定的颗粒。DESY纳米实验室的共同作者负责DESY项目的Thomaskeller说,被标记的颗粒直径约为100纳米,类似于汽车催化转换器中使用的颗粒。一纳米是一毫米的百万分之一。
通过利用来自法国格勒诺布尔欧洲同步辐射设施ESRF的线,该团队不仅制作了纳米粒子的详细图像,还测量了其表面的机械应变。来自卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的合作者Philipple?ow说明表面应变与表面成分有关,特别是白金原子和铑原子的比例,他的团队计算了应变与表面成分的关系。通过比较观察和计算的与表面相关的应变,可以得出粒子表面化学成分相关的结论。纳米颗粒的不同表面叫刻面,就像切割宝石刻面一样。
  当纳米粒子生长时,其表面主要由铂原子组成,因为这种构型在能量上是有利的。但是,科学家们研究了颗粒的形状和不同条件下的表面应变,包括汽车催化转换器的工作条件。为了实现这一点,他们将颗粒加热到约430摄氏度,允许一氧化碳和氧气分子通过。Ple?ow指出:在这些反应条件下,粒子内的铑流动转移到表面。因为和氧气的作用比白金强。这也是理论预测的。