據(jù)外媒報道，一個由DESY領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直在使用高強度的X射線來觀察單個催化劑納米粒子的工作情況。 該實驗首次揭示了單個納米粒子表面的化學(xué)成分如何在反應(yīng)條件下發(fā)生變化從而使其變得更加活躍。 由DESY的Andreas Stierle領(lǐng)導(dǎo)的團隊在《Science Advances》上介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

這項研究標(biāo)志著向更好地理解真正的工業(yè)催化材料邁出了重要一步。

催化劑是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)而自身不被消耗的材料。現(xiàn)在，催化劑被用于許多工業(yè)過程，從化肥生產(chǎn)到塑料制造。正因為如此，催化劑具有巨大的經(jīng)濟意義。一個非常著名的例子是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中的催化器。這些催化器含有鉑、銠和鈀等貴金屬，可以使劇毒的一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)并減少有害的氮氧化物(NOx)的數(shù)量。

“盡管它們被廣泛使用并且非常重要，但我們?nèi)詫Ω鞣N催化劑如何工作的許多重要細(xì)節(jié)一無所知，”DESY納米實驗室的負(fù)責(zé)人Stierle說道，“這就是為什么我們長期以來一直想在運行中研究真正的催化劑”。然而這項工作并不容易，為了使活性表面盡可能大，催化劑通常以微小的納米顆粒形式使用，并且影響其活性的變化發(fā)生在其表面。

表面應(yīng)變與化學(xué)成分有關(guān)

在歐盟納米科學(xué)鑄造和精細(xì)分析(NFFA)項目的框架內(nèi)，來自DESY納米實驗室的團隊開發(fā)了一種技術(shù)用于標(biāo)記單個納米粒子，這樣可以在樣品中識別出它們。“為了這項研究，我們在實驗室里的一個基底上培育出了鉑銠合金的納米顆粒，并對一個特定的顆粒進(jìn)行了標(biāo)記，”來自DESY納米實驗室的共同作者、負(fù)責(zé)DESY項目的Thomas Keller說道，“被標(biāo)記的粒子的直徑約為100納米，它類似于汽車催化轉(zhuǎn)換器中使用的粒子。” 一納米為一毫米的百萬分之一。

通過利用來自法國格勒諾布爾歐洲同步輻射設(shè)施ESRF的X射線，該團隊不僅創(chuàng)建出納米粒子的詳細(xì)圖像還測量出其表面的機械應(yīng)變。來自卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT))的合著者Philipp Ple?ow解釋稱：“表面應(yīng)變跟表面成分有關(guān)，特別是鉑原子和銠原子的比例，”他的小組計算了應(yīng)變跟表面成分的關(guān)系。通過比較觀察到的和計算出的與表面有關(guān)的應(yīng)變，可以得出有關(guān)顆粒表面化學(xué)成分的結(jié)論。納米粒子的不同表面被稱為刻面，就像切割寶石的刻面一樣。

當(dāng)納米粒子生長時，其表面主要由鉑原子組成，因為這種構(gòu)型在能量上是有利的。然而，科學(xué)家們研究了粒子的形狀和它在不同條件下的表面應(yīng)變，其中包括汽車催化轉(zhuǎn)換器的工作條件。為了做到這一點，他們將粒子加熱到約430攝氏度并允許一氧化碳和氧氣分子通過它。Ple?ow指出：“在這些反應(yīng)條件下，顆粒內(nèi)的銠變得流動并遷移到表面，因為它跟氧氣的相互作用比鉑金更強。這也是理論所預(yù)測的。”

來自DESY的合著者Ivan Vartaniants其團隊將X射線衍射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維空間圖像。Vartaniants報告稱：“結(jié)果，表面應(yīng)變和粒子的形狀發(fā)生了變化。一個依賴面的銠富集發(fā)生從而形成了額外的角落和邊緣”。表面的化學(xué)成分以及顆粒的形狀和大小對其功能和效率有著很大的影響。然而科學(xué)家們只是剛剛開始了解這些究竟是如何聯(lián)系的以及如何控制納米粒子的結(jié)構(gòu)和組成。X射線使研究人員得以檢測到應(yīng)變中低至千分之0.1的變化，在這個實驗中，這相當(dāng)于大約0.0003納米(0.3皮米)的精度。

邁向分析工業(yè)催化劑材料的關(guān)鍵一步

DESY首席科學(xué)家、漢堡大學(xué)納米科學(xué)教授Stierle表示：“我們現(xiàn)在第一次可以觀察到這種催化劑納米粒子在運行時的結(jié)構(gòu)變化細(xì)節(jié)。這是向前邁出的重要一步，另外還幫助我們了解利用合金納米粒子的整個反應(yīng)類別。”

“我們的調(diào)查是分析工業(yè)催化材料的重要一步，”Stierle指出。據(jù)悉，到目前為止，科學(xué)家們不得不在實驗室中培育模型系統(tǒng)以進(jìn)行此類調(diào)查。“在這項研究中，我們已經(jīng)達(dá)到了可以做到的極限。利用DESY計劃中的X射線顯微鏡PETRA IV，我們將能在真正的催化劑中和反應(yīng)條件下觀察小十倍的單個顆粒，”Stierle說道。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 催化劑 納米粒子 化學(xué)成分