«Используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) с коррекцией аберраций in situ, мы обнаружили, что во время реакции окисления атомы кобальта мигрируют к поверхности наночастиц, образуя эпитаксиальную пленку оксида кобальта, как вода на масле», — говорит Хаймей Чжэн, штатный научный сотрудник. в отделе материаловедения лаборатории Беркли, который руководил этим исследованием. "Во время реакции восстановления водорода атомы кобальта мигрируют обратно в основную массу, оставляя монослой платины на поверхности. Эта атомная информация является важной отправной точкой для проектирования и разработки лучших биметаллических катализаторов в будущем."
В наши дни биметаллические катализаторы привлекают значительное внимание химической промышленности, потому что во многих случаях они обеспечивают превосходные характеристики по сравнению со своими монометаллическими аналогами. Также существует возможность настройки их каталитических характеристик в соответствии с конкретными потребностями.
Биметаллический катализатор, представляющий особый интерес, влечет за собой соединение платины, золотого стандарта монометаллических катализаторов, с кобальтом, меньшим катализатором, но значительно более дешевым, чем платина. Платиновый / кобальтовый катализатор не только считается модельной системой для исследования других биметаллических нанокатализаторов, но также является отличным промотором широко используемого процесса Фишера-Тропша, в котором смеси водорода и монооксида углерода превращаются в длинноцепочечные углеродные атомы. для использования в качестве топлива или в низкотемпературных топливных элементах.
«Хотя было проведено много исследований платины / кобальта и других биметаллических катализаторов, информация о том, как реакции протекают в атомном режиме и как выглядит морфология, отсутствует», — говорит Чжэн. «Для получения этой информации необходимо было нанести на карту атомные структуры в реактивных средах на месте, что мы и сделали с помощью специально оборудованных ПЭМ."
Эксперименты с ПЭМ окружающей среды in situ проводились как в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, которая находится в PNNL, так и в Центре функциональных наноматериалов BNL.
ПЭМ-изображение с коррекцией аберраций ex situ было выполнено в Национальном центре электронной микроскопии лаборатории Беркли с использованием TEAM 0.5, самый мощный в мире ТЕА.
«Эта работа является прекрасным примером совместной работы нескольких институтов», — говорит Чжэн. "Наличие доступа к таким высокопроизводительным ресурсам и возможность наладить такое тесное командное сотрудничество укрепляет нашу способность решать сложные научные проблемы."
Исследования Чжэн и ее коллег с поправкой на аберрацию in situ показали, что из-за несоответствия размеров решеток эпитаксиальной пленки оксида кобальта и поверхности платины решетка оксида кобальта сжимается на границе раздела, чтобы соответствовать решетке платины.
По мере ослабления энергии деформации пленка оксида кобальта начинает разрушаться с образованием отдельных молекулярных островков на поверхности платины. Это уменьшает эффективную площадь реакционной поверхности на единицу объема и создает каталитические пустоты, которые влияют на общую каталитическую производительность.
«Принимая во внимание эту сегрегацию атомов платины и кобальта, можно предсказать межфазную деформацию, возникающую во время окисления», — говорит Чжэн. «Затем мы можем разработать катализаторы из наночастиц, чтобы гарантировать, что во время реакций материал с более высокими каталитическими характеристиками будет на поверхности наночастиц."
Чжэн добавляет, что возможность наблюдать детали эволюции структуры наночастиц в атомном масштабе в их реакционной среде не только открывает путь к более глубокому пониманию катализа биметаллических наночастиц, но также позволяет изучать более широкий спектр систем наночастиц, где пути реакции остаются неуловимыми.
Это исследование было поддержано Министерством энергетики США.
Он использовал ресурсы Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, Центра функциональных наноматериалов и Национального центра электронного микроскопа, пользовательские средства, поддерживаемые Управлением науки Министерства энергетики.