Un team di ricerca guidato da DESY utilizza raggi X ad alta intensità per osservare una singola nanoparticella catalitica in azione. L’esperimento ha rivelato per la prima volta come la composizione chimica della superficie di una singola nanoparticella cambia in condizioni di reazione, rendendola più attiva. Il team guidato da Andreas Stierle di DESY presenta le proprie scoperte sulla rivista Science Advances. Questo studio rappresenta un passo importante verso una migliore comprensione dei materiali catalitici sintetici reali.
I catalizzatori sono sostanze che potenziano le reazioni chimiche senza essere consumate da sole. Oggi i catalizzatori sono utilizzati in molti processi industriali, dalla produzione di fertilizzanti alla produzione di materie plastiche. Per questo motivo i catalizzatori sono di grande importanza economica. Un esempio molto noto è il convertitore catalitico installato nei sistemi di scarico delle automobili. Contiene metalli preziosi come platino, rodio e palladio, che consentono di convertire il monossido di carbonio (CO) altamente tossico in anidride carbonica (CO2) e riducono la quantità di ossidi di azoto nocivi (NOx).
“Nonostante il loro uso diffuso e la loro grande importanza, non conosciamo ancora molti dettagli importanti su come funzionano i diversi catalizzatori”, spiega Stierle, presidente di DESY NanoLab. “Ecco perché da tempo volevamo studiare i veri trigger durante il funzionamento”. Questo non è facile, perché per rendere la superficie attiva il più grande possibile, i catalizzatori vengono solitamente utilizzati sotto forma di piccole nanoparticelle e sulla loro superficie si verificano cambiamenti che influenzano la loro attività.
Stress superficiale correlato alla composizione chimica
Nell’ambito del progetto European Union Foundries Nanoscience and Microanalysis (NFFA), il team di DESY NanoLab ha sviluppato una tecnica per classificare e quindi identificare le singole nanoparticelle in un campione. “Per lo studio, abbiamo coltivato nanoparticelle di lega di platino e 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. La particella stimata ha un diametro di circa 100 nanometri, che è simile alle particelle utilizzate nel convertitore catalitico di un’auto. “Un nanometro è un milionesimo di millimetro.
Utilizzando i raggi X dell’European Synchrotron Radiation Facility ESRF di Grenoble, in Francia, il team non solo è stato in grado di creare un’immagine dettagliata delle nanoparticelle; Misurò anche la pressione meccanica all’interno della sua superficie. “Lo stress superficiale è correlato alla composizione della superficie, in particolare al rapporto tra platino e atomi di rodio”, spiega il coautore Philip Plesso del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), il cui gruppo ha calcolato lo stress in funzione della formazione della superficie. Confrontando la deformazione dipendente dalle facce osservate e calcolate, si possono trarre conclusioni sulla composizione chimica sulla superficie delle particelle. Le diverse superfici delle nanoparticelle sono chiamate sfaccettature, proprio come i lati di una pietra preziosa tagliata.
Quando la nanoparticella cresce, la sua superficie è costituita principalmente da atomi di platino, poiché questa configurazione è fortemente preferita. Tuttavia, gli scienziati hanno studiato la forma della particella e la sua deformazione superficiale in varie condizioni, comprese le condizioni operative del convertitore autocatalitico. Per fare ciò, 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 verso la superficie perché reagisce più fortemente con l’ossigeno rispetto al platino”, spiega Pleso. Questo è previsto anche dalla teoria.
“Di conseguenza, lo stress superficiale e la forma delle particelle cambiano”, afferma il coautore Ivan Vartanianets, di DESY, il cui team ha trasformato i dati di diffrazione dei raggi X in immagini spaziali 3D. “L’arricchimento a base di rodio viene eseguito sulle facce, dove si formano angoli e bordi aggiuntivi”. La composizione chimica della superficie e la forma e le dimensioni delle particelle influiscono notevolmente sulla loro funzione ed efficienza. Tuttavia, gli scienziati stanno appena iniziando a capire esattamente come si relazionano e come controllare la struttura e la composizione delle nanoparticelle. I raggi X consentono ai ricercatori di rilevare variazioni inferiori allo 0,1 per mille nel ceppo, che in questo esperimento corrisponde a una risoluzione di circa 0,0003 nanometri (0,3 picometri).
Un passo fondamentale verso l’analisi materiale del catalizzatore industriale
“Ora possiamo, per la prima volta, osservare in dettaglio i cambiamenti strutturali in tali nanoparticelle catalizzate durante il funzionamento”, afferma Stierle, capo scienziato del DESY e professore di nanoscienze all’Università di Amburgo. “Questo è un enorme passo avanti e ci aiuta a comprendere un’intera classe di interazioni che utilizzano nanoparticelle legate”. Gli scienziati di KIT e DESY ora vogliono esplorarlo sistematicamente nel nuovo Collaborative Research Center 1441, finanziato dalla German Research Foundation (DFG) intitolato “Tracking Active Sites in Heterogeneous Emission Control Catalysis (TrackAct)”.
Stierle osserva che “la nostra indagine è un passo importante verso l’analisi dei materiali catalitici sintetici”. Fino ad ora, gli scienziati hanno dovuto sviluppare sistemi modello in laboratorio per eseguire tali indagini. “In questo studio, abbiamo raggiunto il limite di ciò che può essere fatto. Con un microscopio a raggi X PETRA IV di DESY, saremo in grado di esaminare singole particelle 10 volte più piccole in catalizzatori reali e in condizioni di reazione”.
DESY è uno dei principali centri di accelerazione di particelle al mondo e studia 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 ei rivelatori di particelle sviluppati e costruiti da DESY nei suoi siti di Amburgo e Zeuthen sono strumenti di ricerca unici. Generano i raggi X più intensi al mondo, accelerando le particelle per registrare le energie e aprire nuove finestre sull’universo. DESY è membro dell’Associazione Helmholtz, la più grande società scientifica tedesca, e riceve finanziamenti dal Ministero federale tedesco dell’istruzione e della ricerca (BMBF) (90 percento) e dagli stati federali tedeschi di Amburgo e Brandeburgo (10 percento).
riferimento
Imaging a raggi X di una singola nanoparticella di lega durante una reazione catalitica; Young-Young Kim, Thomas F. Keeler, Thiago J. Goncalves, Manuel Abbein, Henning Runge, Luca Gilisio, Jerome Karnes, Vedran Funk, Philip N. Pleso, Evan A.; Vartaniantes, Andreas Stirl; Progressi scientifici, 2021; 10.1126 / sciadv.abh0757
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