I convertitori catalitici per la pulizia delle emissioni di scarico sono più efficienti quando utilizzano nanoparticelle con molti bordi. Questo è uno dei risultati di uno studio condotto presso la sorgente di raggi X PETRA III di DESY. Un team di scienziati del DESY NanoLab ha osservato in diretta mentre il monossido di carbonio nocivo veniva convertito in comune anidride carbonica sulla superficie delle nanoparticelle di metalli nobili come quelle utilizzate nei convertitori catalitici delle automobili. Gli scienziati stanno presentando le loro scoperte sulla rivista Lettere di revisione fisica . I loro risultati suggeriscono che avere un gran numero di bordi aumenta l'efficienza delle reazioni catalitiche, poiché le diverse sfaccettature delle nanoparticelle sono spesso ricoperte da isole in crescita di un nanoossido, rendendo infine inattive queste sfaccettature. Ai bordi, le isole di ossido non possono connettersi, lasciando siti attivi per la reazione catalitica.

I convertitori catalitici di solito utilizzano nanoparticelle perché queste hanno un'area superficiale molto maggiore per una data quantità di materiale, su cui può avvenire la reazione catalitica. Per lo studio qui presentato, gli scienziati del NanoLab di DESY hanno coltivato nanoparticelle di platino-rodio su un substrato in modo tale che praticamente tutte le particelle fossero allineate nella stessa direzione e avessero la stessa forma di ottaedri troncati (gli ottaedri assomigliano a doppie piramidi). Gli scienziati hanno quindi studiato le proprietà catalitiche di questo campione nelle condizioni di lavoro tipiche di un convertitore catalitico automobilistico, con diverse composizioni gassose in una camera di reazione che è stata esposta a intensi raggi X da PETRA III sulla linea di luce P09.

L'efficienza dei materiali catalitici può essere misurata utilizzando uno spettrometro di massa che rivela le proporzioni di alcuni tipi di molecole nelle emissioni di scarico, qui le concentrazioni relative di monossido di carbonio, ossigeno e anidride carbonica. "Effettuiamo una sorta di test di emissione sulle nanoparticelle, " spiega Uta Hejral, il primo autore del saggio, ora lavora alla Lund University in Svezia. A causa dell'allineamento parallelo delle nanoparticelle, gli scienziati sono stati anche in grado di determinare quelle superfici delle nanoparticelle su cui la reazione è andata particolarmente bene. "Qui possiamo davvero seguire la reazione su scala atomica, " precisa Hejral.

Normalmente, le nanoparticelle di metallo nobile nel convertitore catalitico di un'auto sono attaccate a minuscole briciole di substrato, che si uniscono formando strutture complesse. "Questi sono difficili da esaminare usando i raggi X, perché i metalli nobili rappresentano solo una piccola percentuale in peso e in particolare perché le nanoparticelle sono allineate in ogni sorta di direzioni diverse, " spiega Andreas Stierle, che è uno scienziato capo presso DESY e professore di nanoscienze presso l'Università di Amburgo. "Sotto l'illuminazione a raggi X, ogni particella produce un modello di diffrazione separato e questi si sovrappongono per creare un'immagine sfocata. Facendoli allineare in parallelo tra loro, d'altra parte, i pattern di diffrazione di tutte le nanoparticelle si sovrappongono e si amplificano a vicenda. Ciò consente le diverse sfaccettature delle nanoparticelle, in altre parole le loro singole superfici, da identificare e osservare in modo specifico”.

L'indagine ha mostrato che la reattività delle nanoparticelle aumenta bruscamente a una certa concentrazione di ossigeno. "Questo accade quando è disponibile solo abbastanza ossigeno per ossidare ogni molecola di monossido di carbonio e trasformarla in anidride carbonica, " dice Stierle. Al di là di quella concentrazione, la reattività diminuisce gradualmente di nuovo perché sulla superficie delle particelle cresce uno spesso strato di ossido, impedendo la reazione. L'analisi ai raggi X rivela la struttura atomica della superficie delle nanoparticelle alla migliore risoluzione ancora nelle condizioni in cui avviene la reazione. Questo mostra che una volta superata una certa concentrazione di ossigeno, le diverse facce cristalline delle nanoparticelle vengono ricoperte da un sandwich ossigeno-rodio-ossigeno, fino a quando alla fine la superficie del metallo è completamente ricoperta da questo strato di nano ossido.

"L'ossido superficiale alla fine forma uno strato chiuso sulle nanoparticelle, " riferisce Hejral. ​​"Questo è inizialmente sfavorevole per la reazione desiderata, perché rende difficile alle molecole di monossido di carbonio di attaccarsi alla superficie. Però, l'ossigeno non è in grado di formare un film chiuso lungo i bordi tra le facce delle nanoparticelle, il che significa che la reattività lungo i bordi è maggiore." Questa scoperta suggerisce un percorso diretto per rendere i convertitori catalitici più efficienti:"Ci aspetteremmo che i convertitori catalitici siano tanto più efficienti quanto più bordi hanno le nanoparticelle per una data area superficiale, " dice Stierle. Questa scoperta può probabilmente essere applicata anche a molte altre reazioni catalitiche. Ulteriori studi dovranno dimostrare di quanto l'efficienza può essere aumentata di conseguenza.

DESY è uno dei principali centri di accelerazione di particelle al mondo. I ricercatori utilizzano le strutture su larga scala del DESY per esplorare il microcosmo in tutta la sua varietà, dall'interazione di minuscole particelle elementari al comportamento di nanomateriali innovativi e dai processi vitali che avvengono tra le biomolecole ai grandi misteri dell'universo. Gli acceleratori e i rivelatori che DESY sviluppa e costruisce nelle sue sedi ad Amburgo e Zeuthen sono strumenti di ricerca unici. DESY è membro dell'Associazione Helmholtz, e riceve i suoi finanziamenti dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF) (90 percento) e dagli stati federali tedeschi di Amburgo e Brandeburgo (10 percento).