Учёные раскрыли поведение нанокатализаторов в реальных условиях

На этом изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, видны наночастицы платины с родиевым покрытием на проводящей подложке. Кристаллические грани чётко видны в полиэдрической форме наночастиц. Автор: Арно Джеромин, DESY NanoLab

Международная исследовательская группа получила новые данные о химическом поведении нанокатализаторов во время катализа, используя комбинацию спектромикроскопии на BESSY II и микроскопических анализов в NanoLab DESY.

Исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, сосредоточено на наночастицах с платиновым ядром и родиевой оболочкой. Такая конфигурация позволяет лучше понять структурные изменения в катализаторах, например, для контроля выбросов.

Результаты показывают, что в типичных каталитических условиях часть родия из оболочки может диффундировать внутрь наночастиц. Однако большая его часть остаётся на поверхности и окисляется. Этот процесс сильно зависит от ориентации граней наночастиц.

Нанокатализаторы с огромной площадью поверхности привлекательны для различных применений: от защиты окружающей среды до промышленного синтеза и производства устойчивого топлива из CO₂ и водорода.

Эксперименты на уникальном оборудовании SMART в Институте Фрица Габера показали, что родий может частично диффундировать в платиновые ядра при температурах, типичных для работы катализатора. Этот процесс усиливается в восстановительной среде (H₂) и замедляется в окислительной (O₂).

«При более высоких температурах этот процесс значительно ускоряется», — объясняет доктор Томас Ф. Келлер, руководитель группы микроскопии DESY NanoLab.

Скорость реакций также зависит от ориентации граней наночастиц. «Они особенно высоки на определённых гранях, — подчёркивает ведущий автор исследования Джаграти Двиведи. — Наше исследование показывает, что окисление родия наиболее интенсивно на гранях со множеством атомных ступеней».

Это детальное понимание процессов окисления поможет в дальнейшей оптимизации нанокатализаторов, которые могут претерпевать необратимые изменения во время использования.