Un team di ricerca guidato da DESY ha utilizzato raggi X ad alta intensità per osservare una singola nanoparticella di catalizzatore al lavoro. L'esperimento ha rivelato per la prima volta come la composizione chimica della superficie di una singola nanoparticella cambia in condizioni di reazione, rendendolo più attivo. Il team guidato da Andreas Stierle di DESY presenta i suoi risultati sulla rivista Progressi scientifici . Questo studio segna un passo importante verso una migliore comprensione del reale, materiali catalitici industriali.

I catalizzatori sono materiali che promuovono reazioni chimiche senza essere consumati essi stessi. Oggi, catalizzatori sono utilizzati in numerosi processi industriali, dalla produzione di fertilizzanti alla produzione di plastica. A causa di ciò, catalizzatori sono di enorme importanza economica. Un esempio molto noto è il convertitore catalitico installato negli impianti di scarico delle automobili. Questi contengono metalli preziosi come platino, rodio e palladio, che consentono di convertire il monossido di carbonio (CO) altamente tossico in anidride carbonica (CO ₂ ) e ridurre la quantità di ossidi di azoto nocivi (NO _X ).

"Nonostante il loro uso diffuso e la grande importanza, ignoriamo ancora molti dettagli importanti su come funzionano i vari catalizzatori, " spiega Stierle, capo del DESY NanoLab. "Ecco perché da tempo volevamo studiare catalizzatori reali mentre erano in funzione". Questo non è facile, perché per rendere più ampia possibile la superficie attiva, i catalizzatori sono tipicamente usati sotto forma di minuscole nanoparticelle, e i cambiamenti che influenzano la loro attività si verificano sulla loro superficie.

La deformazione superficiale è correlata alla composizione chimica

Nell'ambito del progetto UE Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), il team di DESY NanoLab ha sviluppato una tecnica per etichettare singole nanoparticelle e quindi identificarle in un campione. "Per lo studio, abbiamo coltivato nanoparticelle di una lega di platino-rodio su un substrato in laboratorio e abbiamo etichettato una particella specifica, " afferma il coautore Thomas Keller di DESY NanoLab e responsabile del progetto presso DESY. "Il diametro della particella etichettata è di circa 100 nanometri, ed è simile alle particelle utilizzate nel convertitore catalitico di un'auto." Un nanometro è un milionesimo di millimetro.

Usando i raggi X dall'European Synchrotron Radiation Facility ESRF a Grenoble, Francia, il team non solo è stato in grado di creare un'immagine dettagliata della nanoparticella; ha anche misurato la deformazione meccanica all'interno della sua superficie. "La deformazione superficiale è correlata alla composizione della superficie, in particolare il rapporto tra platino e atomi di rodio, " spiega il coautore Philipp Pleßow del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), il cui gruppo ha calcolato la deformazione in funzione della composizione della superficie. Confrontando la deformazione dipendente dalla sfaccettatura osservata e calcolata, si possono trarre conclusioni sulla composizione chimica della superficie delle particelle. Le diverse superfici di una nanoparticella sono chiamate sfaccettature, proprio come le sfaccettature di una pietra preziosa tagliata.

Quando la nanoparticella è cresciuta, la sua superficie è costituita principalmente da atomi di platino, in quanto questa configurazione è energeticamente favorita. Però, gli scienziati hanno studiato la forma della particella e la sua deformazione superficiale in diverse condizioni, comprese le condizioni operative di un convertitore catalitico automobilistico. Per fare questo, hanno riscaldato la particella a circa 430 gradi Celsius e hanno permesso al monossido di carbonio e alle molecole di ossigeno di passarci sopra. "In queste condizioni di reazione, il rodio all'interno della particella diventa mobile e migra in superficie perché interagisce più fortemente con l'ossigeno rispetto al platino, " spiega Pleßow. Anche questo è previsto dalla teoria.

"Di conseguenza, la deformazione superficiale e la forma della particella cambiano, " riporta il coautore Ivan Vartaniants, da DESY, il cui team ha convertito i dati di diffrazione dei raggi X in immagini spaziali tridimensionali. "Si verifica un arricchimento di rodio dipendente dalle sfaccettature, per cui si formano angoli e bordi aggiuntivi." La composizione chimica della superficie, e la forma e la dimensione delle particelle hanno un effetto significativo sulla loro funzione ed efficienza. Però, gli scienziati stanno appena iniziando a capire esattamente come questi sono collegati e come controllare la struttura e la composizione delle nanoparticelle. I raggi X consentono ai ricercatori di rilevare cambiamenti di appena 0,1 su mille nel ceppo, che in questo esperimento corrisponde ad una precisione di circa 0,0003 nanometri (0,3 picometri).

Un passo cruciale verso l'analisi dei materiali dei catalizzatori industriali

"Possiamo ora, per la prima volta, osservare i dettagli dei cambiamenti strutturali in tali nanoparticelle di catalizzatore durante il funzionamento, "dice Stierle, Lead Scientist presso DESY e professore di nanoscienze presso l'Università di Amburgo. "Questo è un importante passo avanti e ci sta aiutando a comprendere un'intera classe di reazioni che utilizzano nanoparticelle di lega". Gli scienziati di KIT e DESY ora vogliono esplorarlo sistematicamente nel nuovo Collaborative Research Center 1441, finanziato dalla German Research Foundation (DFG) e intitolato "Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)".

"La nostra indagine è un passo importante verso l'analisi dei materiali catalitici industriali, " fa notare Stierle. Fino ad ora, gli scienziati hanno dovuto coltivare sistemi modello in laboratorio per condurre tali indagini. "In questo studio, siamo andati al limite del possibile. Con il microscopio a raggi X di DESY PETRA IV, potremo osservare singole particelle dieci volte più piccole in catalizzatori reali, e in condizioni di reazione." DESY è uno dei principali centri di accelerazione di particelle al mondo e indaga la struttura e la funzione della materia, dall'interazione di minuscole particelle elementari e il comportamento di nuovi nanomateriali e biomolecole vitali ai grandi misteri dell'universo. gli acceleratori di particelle e i rivelatori che DESY sviluppa e costruisce nelle sue sedi di Amburgo e Zeuthen sono strumenti di ricerca unici che generano la radiazione di raggi X più intensa al mondo, accelerare le particelle per registrare le energie e aprire nuove finestre sull'universo. DESY è membro dell'Associazione Helmholtz, La più grande associazione scientifica tedesca, 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).