Используя комбинацию спектроскопии на BESSY II и микроскопического анализа в NanoLab в DESY, группа учёных получила новое представление о химическом поведении нанокатализаторов во время катализа.
Исследование [опубликовано](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c07668) в журнале ACS Nano.
Наночастицы с платиновым ядром и родиевой оболочкой
Наночастицы состояли из ядра из платины с оболочкой из родия. Такая конфигурация позволяет лучше понять структурные изменения, например, в родий-платиновых катализаторах для контроля выбросов. Результаты показывают, что в типичных условиях катализа часть родия в оболочке может диффундировать внутрь наночастиц. Однако большая его часть остаётся на поверхности и окисляется. Этот процесс сильно зависит от ориентации поверхности граней наночастиц.
Наночастицы имеют диаметр менее одной десятитысячной миллиметра и огромную площадь поверхности по отношению к своей массе. Это делает их привлекательными в качестве катализаторов: металлические наночастицы могут способствовать химическим превращениям, будь то для защиты окружающей среды, промышленного синтеза или производства (устойчивого) топлива из CO₂ и водорода.
Платина как катализатор
Платина (Pt) — один из наиболее известных металлических катализаторов, который используется в гетерогенном газофазном катализе для контроля выбросов, например, для преобразования токсичного угарного газа в автомобильных выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания в нетоксичный CO₂.
«Смешивание частиц платины с родием (Rh) может дополнительно повысить эффективность», — говорит Джаграти Двиведи, первый автор публикации. Расположение двух элементов играет важную роль в этом процессе. Так называемые наночастицы ядро-оболочка с платиновым ядром и чрезвычайно тонкой родиевой оболочкой могут помочь в поиске оптимального распределения элементов, которое может продлить срок службы наночастиц.
Изменение химического состава поверхности катализатора
До сих пор мало что было известно о том, как изменяется химический состав поверхности катализатора во время работы. Группа под руководством доктора Томаса Ф. Келлера, руководителя группы микроскопии в NanoLab DESY, исследовала такие кристаллические Pt-Rh наночастицы на BESSY II и получила новое представление об изменениях на гранях многогранных наночастиц.
Наночастицы были сначала охарактеризованы и маркированы в их окрестностях с помощью сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии в NanoLab DESY. Эти маркеры затем использовались для спектроскопического анализа тех же наночастиц и одновременного получения их изображений с помощью рентгеновского излучения на специальном приборе в BESSY II.
Инструмент SMART в Институте Фрица Хабера Общества Макса Планка позволяет проводить рентгеновскую фотоэмиссионную электронную микроскопию (XPEEM) в режиме микроскопа. Это позволяет различать отдельные элементы с высоким пространственным разрешением, что даёт возможность наблюдать химические процессы в приповерхностных атомных слоях.
«Инструмент позволяет проводить химический анализ отдельных элементов с разрешением 5–10 нанометров, что является уникальным», — говорит Келлер.
Результаты исследования
Исследование показало, что родий может частично диффундировать в ядра платины во время катализа: оба элемента смешиваются при типичных рабочих температурах катализатора. Смешивание усиливается в восстановительной среде (H₂) и замедляется в окислительной среде (O₂), но не меняет чистый поток родия в платину.
«При более высоких температурах этот процесс даже значительно усиливается», — объясняет Келлер.
Скорость реакции также зависит от ориентации граней наночастиц. «Они особенно высоки на определённых гранях», — подчёркивает Джаграти Двиведи. «Наше исследование с учётом граней показывает, что окисление родия наиболее высоко на гранях со многими атомными ступенями, где атомы наиболее легко связываются».
Этот детальный анализ поведения при окислении будет способствовать дальнейшей оптимизации таких нанокатализаторов, которые могут претерпевать необратимые изменения во время использования.
Предоставлено Helmholtz Association of German Research Centres.