Los convertidores catalíticos para la limpieza de las emisiones de escape son más eficientes cuando usan nanopartículas con muchos bordes. Este es uno de los hallazgos de un estudio realizado en la fuente de rayos X de DESY PETRA III. Un equipo de científicos del DESY NanoLab observó en vivoel monóxido de carbono nocivo se convirtió en dióxido de carbono común en la superficie de las nanopartículas de metales nobles como las que se usan en los convertidores catalíticos de automóviles. Los científicos presentan sus hallazgos en la revista Cartas de revisión física . Sus resultados sugieren que tener una gran cantidad de bordes aumenta la eficiencia de las reacciones catalíticas, ya que las diferentes facetas de las nanopartículas a menudo están cubiertas por islas en crecimiento de un nano óxido, finalmente haciendo que estas facetas estén inactivas. En los bordes, el óxidolas islas no pueden conectarse, dejando sitios activos para la reacción catalítica.
Los convertidores catalíticos generalmente usan nanopartículas porque tienen un área de superficie mucho mayor para una cantidad dada del material, sobre la cual puede tener lugar la reacción catalítica. Para el estudio presentado aquí, los científicos de NanoLab de DESY cultivaron nanopartículas de platino-rodio en unsustrato de tal manera que prácticamente todas las partículas se alinearon en la misma dirección y tenían la misma forma de octaedros truncados los octaedros se asemejan a las pirámides dobles. Los científicos estudiaron las propiedades catalíticas de esta muestra en las condiciones de trabajo típicas de un catalizador para automóviles.convertidor, con diferentes composiciones gaseosas en una cámara de reacción que fue expuesta a rayos X intensos de PETRA III en la línea de luz P09.
La eficiencia de los materiales catalíticos se puede medir usando un espectrómetro de masas que revela las proporciones de ciertos tipos de moléculas en las emisiones de escape, aquí las concentraciones relativas de monóxido de carbono, oxígeno y dióxido de carbono ". Llevamos a cabo una especie de prueba de emisionessobre las nanopartículas ", explica Uta Hejral, el primer autor del artículo, que ahora trabaja en la Universidad de Lund en Suecia. Debido a la alineación paralela de las nanopartículas, los científicos también pudieron determinar las superficies de las nanopartículas en las que se produjo la reacciónparticularmente bien. "Aquí realmente podemos seguir la reacción a escala atómica", señala Hejral.
Normalmente, las nanopartículas de metales nobles en el convertidor catalítico de un automóvil están unidas a pequeñas migajas de sustrato, que se unen formando estructuras complejas ". Estos son difíciles de examinar usando rayos X, porque los metales nobles solo representan un pequeño porcentaje en pesoy en particular porque las nanopartículas están alineadas en todo tipo de direcciones diferentes ", explica Andreas Stierle, científico principal de DESY y profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo." Bajo la iluminación de rayos X, cada partícula produce un producto separadopatrón de difracción y estos se superponen para crear una imagen borrosa. Al alinearlos en paralelo entre sí, por otro lado, los patrones de difracción de todas las nanopartículas se superponen y amplifican entre sí. Esto permite las diferentes facetas de las nanopartículas, enotras palabras, sus superficies individuales, para ser identificadas y específicamente observadas "
La investigación mostró que la reactividad de las nanopartículas aumenta bruscamente a una cierta concentración de oxígeno. "Esto sucede cuando solo hay suficiente oxígeno disponible para oxidar cada molécula de monóxido de carbono y convertirla en dióxido de carbono", dice Stierle. Más allá de esa concentración, elLa reactividad cae gradualmente de nuevo porque una gruesa capa de óxido crece en la superficie de las partículas, impidiendo la reacción. El análisis de rayos X revela la estructura atómica de la superficie de las nanopartículas con la mejor resolución aún bajo las condiciones en que ocurre la reacción.Esto muestra que una vez que se excede una cierta concentración de oxígeno, las diferentes caras de cristal de las nanopartículas se recubren con un sándwich de oxígeno-rodio-oxígeno, hasta que finalmente la superficie del metal está completamente cubierta por esta capa de nano óxido.
"El óxido de la superficie finalmente forma una capa cerrada sobre las nanopartículas", informa Hejral. "Esto es desfavorable para la reacción deseada al principio, porque dificulta que las moléculas de monóxido de carbono se adhieran a la superficie. Sin embargo, el oxígenoes incapaz de formar una película cerrada a lo largo de los bordes entre las caras de las nanopartículas, lo que significa que la reactividad a lo largo de los bordes es mayor ". Este hallazgo sugiere una vía directa para hacer que los convertidores catalíticos sean más eficientes:" Esperaríamos que los convertidores catalíticos seancada vez más eficiente cuanto más bordes tengan las nanopartículas para un área de superficie determinada ", dice Stierle. Este hallazgo probablemente también se puede aplicar a muchas otras reacciones catalíticas. Estudios adicionales tendrán que mostrar cuánto puede aumentar la eficiencia como resultado.
DESY es uno de los principales centros de aceleración de partículas del mundo. Los investigadores utilizan las instalaciones a gran escala en DESY para explorar el microcosmos en toda su variedad, desde la interacción de pequeñas partículas elementales hasta el comportamiento de nanomateriales innovadores y los procesos vitalesque tienen lugar entre las biomoléculas y los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz y recibe fondos de Alemania.Ministerio Federal de Educación e Investigación BMBF 90 por ciento y los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo 10 por ciento.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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