Улавливающие и окисляющие молекулыКрошечные наночастицы, используемые для катализа, часто состоят всего из нескольких атомов платины.
Они обеспечивают окисление, удерживая целевые молекулы на месте и приводя их в контакт с кислородом. Таким образом, окись углерода (CO) может быть превращена в двуокись углерода (CO2), газообразный водород (H2) окисляется до воды (H2O). Эти реакции также возможны без платины, но они могут происходить при гораздо более низких температурах в присутствии частиц платины.«Раньше мы полагали, что эти химические реакции происходят прямо на поверхности частиц платины.
Но наши фотографии ясно показывают, что оксид железа действительно выполняет свою работу», — говорит профессор Гарет Паркинсон. В течение многих лет он изучал поведение крошечных частиц на металлооксидных поверхностях вместе с профессором Ульрике Дибольд (оба — Венский технический университет). Теперь команда смогла показать, что кислород, необходимый для химических реакций, исходит не из окружающей атмосферы, а из оксида железа внизу.Наноотверстия и дорожное железо
Оксид железа (Fe3O4), на котором покоятся частицы платины, обладает замечательными свойствами. Он имеет регулярную кристаллическую структуру, и каждый атом имеет свое четко определенное положение, но все же атомы железа относительно свободно перемещаются через материал.
Когда наночастицы платины захватывают молекулы из окружающего газа и объединяют их с атомами кислорода на поверхности оксида железа, остается избыток атомов железа. Затем эти атомы железа мигрируют вглубь материала, оставляя дыру на поверхности, которую можно четко увидеть на снимках, сделанных с помощью сканирующего туннельного микроскопа.Этот процесс может даже вызвать цепную реакцию. Как только химическая реакция в наночастице платины создает дыру в поверхности оксида железа, прямо на краю дыры появляются некоторые атомы, связь которых с остальным материалом не очень сильна.
На этих краях гораздо легче протекает следующая химическая реакция. Наночастица платины немного сдвинута, и она готова к следующему этапу. «В конце концов, мы видим длинные борозды на поверхности, оставленные единственной наночастицей платины», — говорит Ульрике Диболд.Противоположное явление происходит, когда платина и оксид железа подвергаются воздействию кислородной атмосферы.
Частицы платины расщепляют молекулы кислорода (O2), и отдельные атомы кислорода могут затем интегрироваться в поверхность. Атомы железа перемещаются на поверхность изнутри материала, и рядом с наночастицей платины создается дополнительный островок оксида железа. Вместо дыр на поверхности растет множество мелких островков.
К лучшим катализаторамВ течение многих лет команда Венского технического университета упорно работала, чтобы заложить необходимую основу для такого рода исследований. На многих важных этапах команда исследователей поверхности усовершенствовала способы работы с оксидами металлов и мельчайшими частицами.
В последние годы были представлены важные новые открытия о структуре оксидов металлов, о подвижности атомов на их поверхности и их химических свойствах. Основываясь на этом опыте, теперь стало возможным сделать видимыми химические процессы платинового катализа и подробно их объяснить.Теперь эти новые знания можно использовать для создания еще более совершенных катализаторов.
Например, команда смогла показать, что предварительная обработка водородом должна повысить эффективность платиновых катализаторов. Созданные таким образом атомные канавки препятствуют кластеризации наночастиц платины, что снижает их реакционную способность.