Un gruppo di ricerca composto da NIMS, I gruppi dell'Università di Kyoto e dell'Università di Oita per la prima volta hanno misurato con successo gli stati elettronici delle nanoparticelle di lega costituite da rodio (Rh) e rame (Cu) che mostrano attività catalitiche simili a diversi rapporti Rh-Cu. Le nanoparticelle fungono da catalizzatore per la purificazione dei gas di scarico.

Un team di ricerca ha per la prima volta misurato con successo gli stati elettronici delle nanoparticelle (NP) di lega Rh-Cu che mostrano attività catalitiche simili a diversi rapporti Rh-Cu (per numero di atomi). Le nanoparticelle fungono da catalizzatore per la purificazione dei gas di scarico. I risultati hanno indicato che è difficile correlare gli stati elettronici delle NP con le loro attività catalitiche. Un'analisi più dettagliata sulla relazione tra queste due variabili potrebbe portare alla scoperta di nuovi metodi per rendere cataliticamente NP di lega altrettanto efficaci di Rh NP puri. Questi metodi potrebbero non essere basati sulla corrispondenza degli stati elettronici NP di leghe con quelli di Rh NP puri.

L'elemento raro Rh è un promettente catalizzatore per la purificazione dei gas di scarico delle automobili e di altre fonti. Però, perché Rh è una risorsa di grande valore, il suo utilizzo deve essere ridotto al minimo. Il gruppo di Kitagawa all'Università di Kyoto in precedenza era riuscito a sintetizzare NP in lega Rh-Cu, che è impossibile ottenere utilizzando materiali sfusi. Il gruppo di Nagaoka presso l'Università di Oita ha confermato che queste NP in lega sono in grado di fungere da catalizzatore per la purificazione dei gas di scarico ossidando i componenti dei gas di scarico come CO e NOx. La loro capacità catalitica era paragonabile a quella di Rh NP puri, e non diminuiva al diminuire del contenuto di Rh. In generale si presumeva che la modifica della composizione delle NP di lega avrebbe cambiato anche i loro stati elettronici, e che le loro attività catalitiche erano strettamente legate ai loro stati elettronici. Sulla base di queste ipotesi, molti scienziati dei materiali erano interessati allo studio degli stati elettronici delle NP in lega Rh-Cu. Problemi tecnici hanno reso un tale studio difficile da implementare nella realtà. Recentemente, Il gruppo di Sakata al NIMS ha misurato per la prima volta gli stati elettronici delle NP in lega Rh-Cu a diversi rapporti Rh-Cu.

È molto difficile valutare con precisione gli stati elettronici delle NP utilizzando la spettroscopia fotoelettronica che impiega raggi X (molli) a bassa energia. Questo perché le superfici NP sono rivestite con un materiale protettivo per evitare che si accumuli tra loro. Per superare questo problema, abbiamo effettuato misurazioni di spettroscopia fotoelettronica delle NP presso la linea di luce del NIMS situata nella più grande struttura di radiazione di sincrotrone del mondo (SPring-8). La struttura ci ha permesso di raccogliere dati di stato elettronici dalla totalità delle NP utilizzando raggi X ad alta energia (duri) in grado di penetrare il materiale dello strato esterno protettivo. Abbiamo esaminato gli stati elettronici (stati di ossidazione) di due tipi di NP in lega Rh-Cu:NP con un Rh più elevato (circa 80%) e un contenuto Rh :Cu (circa 50%) comparabile. Stati di ossidazione simili sono stati trovati nelle NP con il contenuto di Rh più elevato e nelle NP di Rh puro. D'altra parte, Le NP con il rapporto Rh :Cu comparabile avevano una proporzione inferiore di Rh(3-δ)+ in uno stato di ossidazione e Rh0 maggiore di quella delle NP con il contenuto di Rh più elevato e avevano una proporzione maggiore di Cu2+ in uno stato di ossidazione.

Questi risultati indicano che valutazioni più dettagliate degli stati degli elettroni sono vitali per la creazione di nuovi materiali catalitici e altri materiali funzionali. Nel futuro, intendiamo condurre uno studio teorico sulla relazione tra le attività catalitiche delle NP ei loro stati elettronici. Inoltre, accelerare la creazione di nuovi materiali funzionali, promuoveremo lo sviluppo dell'informatica dei materiali fornendo i nostri dati sulle strutture elettroniche e le disposizioni atomiche di NP in lega e vari altri materiali.

Questa ricerca è stata supportata dal programma Nanotechnology Platform Japan di MEXT, e il progetto ACCEL di JST intitolato "Creazione di funzioni innovative di materiali intelligenti sulla base della strategia degli elementi" (Professor Hiroshi Kitagawa, capo gruppo di ricerca).

Questo studio è stato pubblicato in Rapporti scientifici il 25 gennaio, 2017.