Al Karlsruhe Institute of Technology (KIT), gli scienziati hanno studiato le nanoparticelle di ceria con l'aiuto di molecole sonda e un complesso sistema di misurazione dell'infrarosso a vuoto ultraelevato e hanno ottenuto nuove informazioni sulla loro struttura superficiale e attività chimica. Il loro lavoro è riportato in tre articoli pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie .
ossidi di cerio, composti dell'ossigeno e del cerio, metallo delle terre rare, sono tra gli ossidi più importanti per applicazioni tecniche. La Ceria viene utilizzata principalmente nella catalisi eterogenea, esempi sono i convertitori catalitici dei gas di scarico delle autovetture, fotocatalisi nelle celle solari, scissione dell'acqua, o la decomposizione di inquinanti. Ceria, utilizzato nei convertitori catalitici, è sotto forma di polvere. È costituito da particelle nanometriche di struttura altamente complessa. La disposizione speciale degli atomi di metallo e ossigeno sulla superficie determina le proprietà fisiche e chimiche della ceria. Finora, però, è stato impossibile analizzare con precisione i processi di riarrangiamento e ricostruzione che avvengono sulla superficie delle nanoparticelle.
A KIT, gli scienziati dell'Istituto delle interfacce funzionali (IFG) sotto la direzione del professor Christof Wöll hanno stabilito negli ultimi anni un nuovo metodo per studiare le proprietà chimiche delle superfici di ossido. Usavano piccole molecole, come il monossido di carbonio (CO), ossigeno molecolare (O2), o protossido di azoto (N2O), come molecole sonda. Queste molecole si attaccano alla superficie delle nanoparticelle di ossido. Quindi, i ricercatori determinano le frequenze di vibrazione delle molecole della sonda. "Questo approccio ha portato a importanti progressi nella comprensione delle proprietà superficiali delle nanoparticelle di ceria, " dice Christof Wöll.
Insieme agli scienziati dell'Istituto di ricerca e tecnologia sulla catalisi (IKFT) di KIT, Humboldt-Universität zu Berlino, l'Università di Udine/Italia, e l'Università Politecnica della Catalogna a Barcellona/Spagna, i ricercatori dell'IFG hanno studiato vari aspetti della struttura superficiale e dell'attività chimica delle nanoparticelle di ceria.
Il motivo principale dei progressi raggiunti è che i ricercatori sono riusciti a verificare le frequenze di vibrazione misurate per le polveri mediante misurazioni utilizzando sostanze modello esattamente definite. Hanno applicato un sistema a infrarossi a vuoto ultraelevato unico nel suo genere. Inoltre, hanno usato calcoli di meccanica quantistica per allocare le bande di vibrazione precedentemente sconosciute delle particelle di ossido. In questo modo, hanno acquisito conoscenze completamente nuove sulla chimica di superficie delle nanoparticelle di ceria.
Gli scienziati hanno dimostrato che la superficie di una nanoparticella di ceria a forma di barra presenta una serie di difetti, come nanofaccette a forma di dente di sega, posti vacanti di ossigeno, angoli, e bordi. Queste irregolarità probabilmente portano all'elevata attività catalitica di tali nanoparticelle. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la fotoreattività della ceria può essere notevolmente migliorata dalla generazione di vacanze di ossigeno, cioè siti di ossigeno non occupati. Un altro studio ha fornito informazioni di base sulla posizione delle vacanze di ossigeno su varie superfici di ceria e sulla loro rilevanza per l'attivazione dell'ossigeno. "Sulla base dei nostri risultati, ora possiamo sviluppare e ottimizzare sistematicamente ulteriormente convertitori catalitici e fotocatalizzatori a base di ceria su scala nanometrica, "dice il professor Wöll.
