边缘和角部提高了催化转换器的效率

当使用具有许多边缘的纳米颗粒时，用于清洁废气排放的催化转化器更有效。这是在DESY的X射线源PETRA III上进行的一项研究的结果之一。来自DESY NanoLab的一组科学家观看了有毒的一氧化碳在贵金属纳米颗粒表面转化为普通二氧化碳，就像汽车催化转化器中使用的那样。科学家们正在“ 物理评论快报”上发表他们的研究结果。他们的结果表明，具有大量边缘增加了催化反应的效率，因为纳米颗粒的不同面通常被生长的纳米氧化物岛覆盖，最终使这些面无活性。在边缘处，氧化物岛不能连接，留下用于催化反应的活性位点。

催化转化器通常使用纳米颗粒，因为对于给定量的材料，催化转化器具有更大的表面积，催化反应可在其上发生。对于此处提供的研究，DESY的NanoLab的科学家们在基质上生长了铂 - 铑纳米颗粒，使得几乎所有的颗粒都朝着相同的方向排列，并且具有相同形状的截顶八面体(八面体类似于双金字塔)。然后，科学家们在汽车催化转化器的典型工作条件下研究了该样品的催化性能，在反应室中不同的气体成分暴露于P09光束线上PETRA III的强X射线。

催化材料的效率可以使用质谱仪测量，该质谱仪显示废气排放中某些类型分子的比例，这里是一氧化碳，氧气和二氧化碳的相对浓度。“我们对纳米粒子进行了一种排放测试，”该论文的第一作者Uta Hejral解释说，他现在在瑞典隆德大学工作。由于纳米粒子的平行排列，科学家们还能够确定反应特别好的纳米粒子表面。“在这里，我们可以真正遵循原子尺度的反应，”Hejral指出。

通常，汽车催化转化器中的贵金属纳米颗粒附着在基底的微小碎屑上，这些碎屑粘在一起形成复杂的结构。“这些很难用X射线检查，因为贵金属只占几个重量百分比，特别是因为纳米颗粒在各种不同的方向上排列，”DESAS的首席科学家Andreas Stierle解释道。汉堡大学纳米科学教授。“在X射线照射下，每个粒子产生一个单独的衍射图案，这些重叠产生模糊图像。另一方面，通过使它们彼此平行排列，所有纳米粒子的衍射图案叠加并放大每个这允许纳米粒子的不同方面，

研究表明，纳米颗粒的反应性在一定的氧浓度下急剧增加。“当只有足够的氧气可以氧化每个一氧化碳分子并将其转化为二氧化碳时，就会发生这种情况，”Stierle说。超过该浓度，反应性再次逐渐下降，因为在颗粒表面上生长厚的氧化物层，阻碍反应。X射线分析揭示了在反应发生的条件下，在最佳分辨率下纳米颗粒表面的原子结构。这表明，一旦超过一定的氧浓度，纳米颗粒的不同晶面就会被氧 - 铑 - 氧夹层涂覆，直到最终金属表面完全被该纳米氧化物层覆盖。

“表面氧化物最终在纳米颗粒上形成一个封闭层，”Hejral说。“这首先对于所需的反应是不利的，因为它使一氧化碳分子难以附着在表面上。但是，氧气不能沿着纳米颗粒表面之间的边缘形成封闭的薄膜，这意味着沿着边缘的反应性更高。“ 这一发现表明了使催化转化器更有效的直接途径：“我们希望催化转化器在给定表面积的纳米颗粒边缘越多越有效，”Stierle说。这一发现也可能适用于许多其他催化反应。其他研究必须表明效率可以提高多少。