據外媒報道，一個由DESY領導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成分如何在反應條件下發生變化從而使其變得更加活躍。由DESY的Andreas Stierle領導的團隊在《Science Advances》上介紹了他們的發現。
這項研究標誌着向更好地理解真正的工業催化材料邁出了重要一步。
催化劑是促進化學反應而自身不被消耗的材料。現在，催化劑被用於許多工業過程，從化肥生產到塑料製造。正因為如此，催化劑具有巨大的經濟意義。一個非常著名的例子是安裝在汽車排氣系統中的催化器。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）轉化為二氧化碳（CO2）並減少有害的氮氧化物（NOx）的數量。
“儘管它們被廣泛使用並且非常重要，但我們仍對各種催化劑如何工作的許多重要細節一無所知，”DESY納米實驗室的負責人Stierle說道，“這就是為什麼我們長期以來一直想在運行中研究真正的催化劑”。然而這項工作並不容易，為了使活性表面儘可能大，催化劑通常以微小的納米顆粒形式使用，並且影響其活性的變化發生在其表面。
表面應變與化學成分有關
在歐盟納米科學鑄造和精細分析(NFFA)項目的框架內，來自DESY納米實驗室的團隊開發了一種技術用於標記單個納米粒子，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，並對一個特定的顆粒進行了標記，”來自DESY納米實驗室的共同作者、負責DESY項目的Thomas Keller說道，“被標記的粒子的直徑約為100納米，它類似於汽車催化轉換器中使用的粒子。” 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施ESRF的X射線，該團隊不僅創建出納米粒子的詳細圖像還測量出其表面的機械應變。來自卡爾斯魯厄理工學院(KIT))的合著者Philipp Pleßow解釋稱：“表面應變跟表面成分有關，特別是鉑原子和銠原子的比例，”他的小組計算了應變跟表面成分的關係。通過比較觀察到的和計算出的與表面有關的應變，可以得出有關顆粒表面化學成分的結論。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。
當納米粒子生長時，其表面主要由鉑原子組成，因為這種構型在能量上是有利的。然而，科學家們研究了粒子的形狀和它在不同條件下的表面應變，其中包括汽車催化轉換器的工作條件。為了做到這一點，他們將粒子加熱到約430攝氏度並允許一氧化碳和氧氣分子通過它。Pleßow指出：“在這些反應條件下，顆粒內的銠變得流動並遷移到表面，因為它跟氧氣的相互作用比鉑金更強。這也是理論所預測的。”
來自DESY的合著者Ivan Vartaniants其團隊將X射線衍射數據轉換成三維空間圖像。Vartaniants報告稱：“結果，表面應變和粒子的形狀發生了變化。一個依賴面的銠富集發生從而形成了額外的角落和邊緣”。表面的化學成分以及顆粒的形狀和大小對其功能和效率有着很大的影響。然而科學家們只是剛剛開始了解這些究竟是如何聯繫的以及如何控制納米粒子的結構和組成。X射線使研究人員得以檢測到應變中低至千分之0.1的變化，在這個實驗中，這相當於大約0.0003納米（0.3皮米）的精度。
邁向分析工業催化劑材料的關鍵一步
DESY首席科學家、漢堡大學納米科學教授Stierle表示：“我們現在第一次可以觀察到這種催化劑納米粒子在運行時的結構變化細節。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類別。”
“我們的調查是分析工業催化材料的重要一步，”Stierle指出。據悉，到目前為止，科學家們不得不在實驗室中培育模型系統以進行此類調查。“在這項研究中，我們已經達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條件下觀察小十倍的單個顆粒，”Stierle說道。