首次实验揭示了单个纳米粒子表面的化学成分如何在反应条件下发生变化

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据外媒报道,一个由DESY领导的研究小组一直在使用高强度的X射线来观察单个催化剂纳米粒子的工作情况。该实验首次揭示了单个纳米粒子表面的化学成分如何在反应条件下发生变化从而使其变得更加活跃。由DESY的Andreas Stierle领导的团队在《Science Advances》上介绍了他们的发现。

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一步。

催化剂是促进化学反应而自身不被消耗的材料。现在,催化剂被用于许多工业过程,从化肥生产到塑料制造。正因为如此,催化剂具有巨大的经济意义。一个非常著名的例子是安装在汽车排气系统中的催化器。这些催化器含有铂、铑和钯等贵金属,可以使剧毒的一氧化碳(CO)转化为二氧化碳(CO2)并减少有害的氮氧化物(NOx)的数量。

“尽管它们被广泛使用并且非常重要,但我们仍对各种催化剂如何工作的许多重要细节一无所知,”DESY纳米实验室的负责人Stierle说道,“这就是为什么我们长期以来一直想在运行中研究真正的催化剂”。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。

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)项目的框架内,来自DESY纳米实验室的团队开发了一种技术用于标记单个纳米粒子,这样可以在样品中识别出它们。“为了这项研究,我们在实验室里的一个基底上培育出了铂铑合金的纳米颗粒,并对一个特定的颗粒进行了标记,”来自DESY纳米实验室的共同作者、负责DESY项目的Thomas Keller说道,“被标记的粒子的直径约为100纳米,它类似于汽车催化转换器中使用的粒子。” 一纳米为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X射线,该团队不仅创建出纳米粒子的详细图像还测量出其表面的机械应变。来自卡尔斯鲁厄理工学院(KIT))的合著者Philipp Pleßow解释称:“表面应变跟表面成分有关,特别是铂原子和铑原子的比例,”他的小组计算了应变跟表面成分的关系。通过比较观察到的和计算出的与表面有关的应变,可以得出有关颗粒表面化学成分的结论。纳米粒子的不同表面被称为刻面,就像切割宝石的刻面一样。

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。然而,科学家们研究了粒子的形状和它在不同条件下的表面应变,其中包括汽车催化转换器的工作条件。为了做到这一点,他们将粒子加热到约430摄氏度并允许一氧化碳和氧气分子通过它。Pleßow指出:“在这些反应条件下,颗粒内的铑变得流动并迁移到表面,因为它跟氧气的相互作用比铂金更强。这也是理论所预测的。”

来自DESY的合著者Ivan Vartaniants其团队将X射线衍射数据转换成三维空间图像。Vartaniants报告称:“结果,表面应变和粒子的形状发生了变化。一个依赖面的铑富集发生从而形成了额外的角落和边缘”。表面的化学成分以及颗粒的形状和大小对其功能和效率有着很大的影响。然而科学家们只是刚刚开始了解这些究竟是如何联系的以及如何控制纳米粒子的结构和组成。X射线使研究人员得以检测到应变中低至千分之0.1的变化,在这个实验中,这相当于大约0.0003纳米(0.3皮米)的精度。

迈向分析工业催化剂材料的关键一步

DESY首席科学家、汉堡大学纳米科学教授Stierle表示:“我们现在第一次可以观察到这种催化剂纳米粒子在运行时的结构变化细节。这是向前迈出的重要一步,另外还帮助我们了解利用合金纳米粒子的整个反应类别。”

“我们的调查是分析工业催化材料的重要一步,”Stierle指出。据悉,到目前为止,科学家们不得不在实验室中培育模型系统以进行此类调查。“在这项研究中,我们已经达到了可以做到的极限。利用DESY计划中的X射线显微镜PETRA IV,我们将能在真正的催化剂中和反应条件下观察小十倍的单个颗粒,”Stierle说道。

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