Exibição sem precedentes de uma única nanopartícula de catalisador em ação

Uma equipe de pesquisa liderada por DESY usa raios-X de alta intensidade para observar uma única nanopartícula catalítica em ação. O experimento revelou pela primeira vez como a composição química da superfície de uma nanopartícula individual muda sob as condições de reação, tornando-a mais ativa. A equipe liderada por Andreas Stierle do DESY apresenta suas descobertas na revista progresso da ciência. Este estudo representa um passo importante para uma melhor compreensão dos verdadeiros materiais catalíticos sintéticos.

Catalisadores são substâncias que aumentam as reações químicas sem serem consumidos por eles próprios. Hoje, os catalisadores são usados ​​em muitos processos industriais, desde a produção de fertilizantes até a fabricação de plásticos. Por isso, os catalisadores são de grande importância econômica. Um exemplo muito conhecido é o conversor catalítico instalado em sistemas de exaustão de automóveis. Ele contém metais preciosos como platina, ródio e paládio, que permitem a conversão de monóxido de carbono (CO) altamente tóxico em dióxido de carbono (CO).₂) e reduzir a quantidade de óxidos de nitrogênio prejudiciais (NO.)._x)

“Apesar de seu uso difundido e grande importância, ainda não sabemos muitos detalhes importantes sobre como funcionam os diferentes catalisadores”, explica Stierle, presidente da DESY NanoLab. “É por isso que há muito desejamos estudar gatilhos reais durante a operação.” Isso não é fácil, porque para tornar a superfície ativa o maior possível, os catalisadores são geralmente usados ​​na forma de Nanopartículas, e as mudanças que afetam sua atividade ocorrem em sua superfície.

Tensão superficial relacionada à composição química

No âmbito do projeto European Union Foundries Nanoscience and Microanalysis (NFFA), a equipe DESY NanoLab desenvolveu uma técnica para classificar e, assim, identificar nanopartículas individuais em uma amostra. “Para o estudo, nós cultivamos nanopartículas de liga de platina-ródio em um substrato no laboratório e rotulamos uma única partícula específica”, diz o co-autor Thomas Keeler do DESY NanoLab e responsável pelo projeto no DESY. “A partícula rotulada tem um diâmetro de cerca de 100 nanômetros, que é semelhante às partículas usadas no conversor catalítico de um carro.” Um nanômetro equivale a um milionésimo de milímetro.

Usando raios-X da European Synchrotron Radiation Facility ESRF em Grenoble, França, a equipe não só foi capaz de criar uma imagem detalhada das nanopartículas; Ele também mediu a pressão mecânica dentro de sua superfície. “A tensão superficial está relacionada à composição da superfície, particularmente a proporção de átomos de platina para ródio”, explica o co-autor Philip Plesso, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), cujo grupo calculou a tensão em função da formação da superfície. Ao comparar a deformação dependente das faces observadas e calculadas, podem-se tirar conclusões sobre a composição química na superfície da partícula. As diferentes superfícies das nanopartículas são chamadas de facetas, assim como os lados de uma gema lapidada.

Quando a nanopartícula cresce, sua superfície consiste principalmente de átomos de platina, pois essa configuração é fortemente preferida. No entanto, os cientistas estudaram a forma da partícula e sua deformação superficial sob várias condições, incluindo as condições de operação do conversor autocatalítico. Para fazer isso, eles aqueceram a partícula a cerca de 430 graus Celsius e permitiram que o monóxido de carbono e as moléculas de oxigênio passassem por ela. “Nessas condições de reação, o ródio dentro da partícula se torna móvel e migra para a superfície porque reage mais fortemente com o oxigênio do que a platina”, explica Pleso. Isso também é previsto pela teoria.

“Como resultado, a tensão superficial e a forma das partículas mudam”, diz o co-autor Ivan Vartanianets, do DESY, cuja equipe converteu os dados de difração de raios-X em imagens espaciais 3D. “O enriquecimento à base de ródio é feito nas faces, onde os cantos e bordas adicionais são formados.” Estrutura química de superfície, a forma e o tamanho das partículas têm um impacto significativo em sua função e eficiência. No entanto, os cientistas estão apenas começando a entender exatamente como eles se relacionam e como controlar a estrutura e composição das nanopartículas. Os raios X permitem que os pesquisadores detectem mudanças de menos de 0,1 por mil na cepa, o que neste experimento corresponde a uma resolução de cerca de 0,0003 nanômetros (0,3 picômetros).

Um passo crítico para a análise material do catalisador industrial

“Podemos agora, pela primeira vez, observar em detalhes as mudanças estruturais em tais nanopartículas catalisadas durante a operação”, diz Stierle, cientista-chefe do DESY e professor de nanociências da Universidade de Hamburgo. “Este é um grande passo à frente e nos ajuda a entender toda uma classe de interações que usam nanopartículas de liga.” Cientistas da KIT e DESY agora querem explorar isso sistematicamente no novo Centro de Pesquisa Colaborativa 1441, financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), intitulado “Rastreamento de locais ativos em catálise de controle de emissão heterogênea (TrackAct)”.

Stierle observa que “nossa investigação é um passo importante para a análise de materiais catalíticos sintéticos.” Até agora, os cientistas tiveram que desenvolver sistemas modelo em laboratório para realizar tais investigações. “Neste estudo, atingimos o limite do que pode ser feito. Usando um microscópio de raios X PETRA IV planejado da DESY, seremos capazes de examinar partículas individuais dez vezes menores em estímulos reais, e sob Termos de interação. “DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo e investiga a estrutura e função da matéria – da interação de minúsculas partículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas aos grandes mistérios do universo. Aceleradores e detectores de partículas DESY está se desenvolvendo e construindo em suas instalações em Hamburgo e Zeuthen. Eles são ferramentas de pesquisa únicas. Eles geram a radiação de raios-X mais intensa do mundo, aceleram partículas para registrar energias e abrem novas janelas para o universo.DESY é membro da Helmholtz, a maior sociedade científica da Alemanha e recebe financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF).) (90%) e dos estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10%).