(Phys.org) — Le istantanee su scala atomica di un catalizzatore di nanoparticelle bimetalliche in azione hanno fornito spunti che potrebbero aiutare a migliorare il processo industriale mediante il quale i combustibili e le sostanze chimiche vengono sintetizzati dal gas naturale, carbone o biomassa vegetale. Una collaborazione di laboratorio multinazionale guidata da ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha dato lo sguardo più dettagliato mai visto all'evoluzione delle nanoparticelle bimetalliche di platino/cobalto durante le reazioni nei gas di ossigeno e idrogeno.

"Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione corretta per l'aberrazione in situ (TEM), abbiamo scoperto che durante la reazione di ossidazione, gli atomi di cobalto migrano sulla superficie delle nanoparticelle, formazione di un film epitassiale di ossido di cobalto, come l'acqua sull'olio, "dice Haimei Zheng, uno scienziato dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha condotto questo studio. "Durante la reazione di riduzione dell'idrogeno, gli atomi di cobalto migrano di nuovo nella massa, lasciando sulla superficie un monostrato di platino. Queste informazioni atomiche forniscono un importante punto di riferimento per la progettazione e la progettazione di catalizzatori bimetallici migliori in futuro".

Zheng, un destinatario 2011 di un premio DOE Office of Science Early Career, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Nano lettere intitolato "Rivelare la ristrutturazione atomica delle nanoparticelle di Pt-Co". I coautori a Berkeley sono Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin Wang Wang, Miquel Salmeron e Gabor Somorjai. Altri coautori sono Chong-Min Wang e Libor Kovarik, del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Eric Stach del Brookhaven National Laboratory (BNL), e Arda Genc della FEI Company in Oregon.

I catalizzatori bimetallici stanno attirando una notevole attenzione da parte dell'industria chimica in questi giorni perché in molti casi offrono prestazioni superiori ai loro omologhi monometallici. C'è anche la possibilità di regolare le loro prestazioni catalitiche per soddisfare esigenze specifiche. Un catalizzatore bimetallico di particolare interesse prevede l'abbinamento di platino, il gold standard dei catalizzatori monometallici, con cobalto, un catalizzatore minore ma decisamente più economico del platino. Il catalizzatore platino/cobalto non è considerato solo un sistema modello per lo studio di altri nanocatalizzatori bimetallici, è anche un eccellente promotore del diffuso processo Fischer-Tropsch, in cui miscele di idrogeno e monossido di carbonio vengono convertite in atomi di carbonio a catena lunga da utilizzare come combustibili o in celle a combustibile a bassa temperatura.

"Mentre ci sono stati molti studi su platino/cobalto e altri catalizzatori bimetallici, mancavano informazioni su come le reazioni procedono atomicamente e su come appare la morfologia, " dice Zheng. "Per acquisire queste informazioni era necessario mappare le strutture atomiche in ambienti reattivi in ​​situ, cosa che abbiamo fatto utilizzando TEM appositamente attrezzati."

Gli esperimenti di TEM ambientale in situ sono stati condotti sia presso il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, che si trova al PNNL, e presso il Center for Functional Nanomaterials di BNL. L'imaging TEM con correzione dell'aberrazione ex situ è ​​stato eseguito presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica del Berkeley Lab utilizzando TEAM 0.5, il TEM più potente al mondo.

"Questo lavoro è un eccellente esempio di lavoro di squadra collaborativo tra più istituti, " Dice Zheng. "Avere accesso a risorse di così alto livello ed essere in grado di formare collaborazioni di gruppo così strette rafforza la nostra capacità di affrontare problemi scientifici impegnativi".

Gli studi TEM di Zheng e dei suoi colleghi sulla correzione dell'aberrazione in situ hanno rivelato che a causa di una mancata corrispondenza delle dimensioni tra i reticoli del film epitassiale di ossido di cobalto e la superficie di platino, il reticolo di ossido di cobalto viene deformato per compressione all'interfaccia per adattarsi al reticolo di platino. Mentre l'energia della tensione si rilassa, il film di ossido di cobalto inizia a rompersi per formare isole molecolari distinte sulla superficie del platino. Ciò riduce l'effettiva superficie di reazione per volume e crea vuoti catalitici, entrambi i quali influiscono sulle prestazioni catalitiche complessive.

"Prendendo in considerazione questa segregazione degli atomi di platino e di cobalto, è possibile prevedere il ceppo interfacciale che si verifica durante l'ossidazione, " Zheng dice. "Possiamo quindi progettare catalizzatori di nanoparticelle per garantire che durante le reazioni il materiale con prestazioni catalitiche più elevate sarà sulla superficie delle nanoparticelle".

Zheng aggiunge che la capacità di osservare i dettagli su scala atomica dell'evoluzione della struttura delle nanoparticelle nei loro ambienti reattivi non solo apre la strada a una comprensione più profonda della catalisi delle nanoparticelle bimetalliche, consente inoltre lo studio di una più ampia varietà di sistemi di nanoparticelle in cui i percorsi di reazione rimangono sfuggenti.