تكشف الأشعة السينية عن التغيرات التركيبية على السطح النشط تحت ظروف التفاعل – ScienceDaily

يستخدم فريق بحثي بقيادة DESY أشعة سينية عالية الكثافة لمراقبة جزيء نانوي محفز واحد في العمل. كشفت التجربة لأول مرة عن كيفية تغير التركيب الكيميائي لسطح جسيم نانوي فردي في ظل ظروف التفاعل ، مما يجعله أكثر نشاطًا. يقدم الفريق بقيادة Andreas Stierle من DESY النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Science Advances. تمثل هذه الدراسة خطوة مهمة نحو فهم أفضل للمواد التحفيزية الصناعية الحقيقية.

المواد الحفازة هي مواد تعزز التفاعلات الكيميائية دون أن يتم استهلاكها بنفسها. اليوم ، تُستخدم المحفزات في العديد من العمليات الصناعية ، من إنتاج الأسمدة إلى تصنيع البلاستيك. لهذا السبب ، تعتبر المحفزات ذات أهمية اقتصادية كبيرة. ومن الأمثلة المعروفة جدًا المحول الحفاز المثبت في أنظمة عادم السيارات. تحتوي على معادن ثمينة مثل البلاتين والروديوم والبلاديوم ، والتي تسمح بتحويل أول أكسيد الكربون عالي السمية (CO) إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) وتقليل كمية أكاسيد النيتروجين الضارة (NOx).

يوضح Stierle ، رئيس DESY NanoLab: “على الرغم من استخدامها على نطاق واسع وأهميتها الكبيرة ، ما زلنا نجهل العديد من التفاصيل المهمة حول كيفية عمل المحفزات المختلفة”. “لهذا السبب أردنا منذ فترة طويلة دراسة المحفزات الحقيقية أثناء التشغيل.” هذا ليس بالأمر السهل ، لأنه من أجل جعل السطح النشط كبيرًا قدر الإمكان ، تُستخدم المحفزات عادةً في شكل جسيمات نانوية صغيرة ، وتحدث التغييرات التي تؤثر على نشاطها على سطحها.

إجهاد السطح يتعلق بالتركيب الكيميائي

في إطار مشروع الاتحاد الأوروبي مسابك علم النانو والتحليل الدقيق (NFFA) ، طور فريق DESY NanoLab تقنية لتصنيف الجسيمات النانوية الفردية وبالتالي تحديدها في عينة. يقول المؤلف المشارك توماس كيلر من DESY NanoLab والمسؤول عن المشروع في DESY: “بالنسبة للدراسة ، قمنا بزراعة جسيمات نانوية من سبيكة بلاتينية وروديوم على ركيزة في المختبر وسمينا جسيمًا واحدًا محددًا”. “يبلغ قطر الجسيم المسمى حوالي 100 نانومتر ، وهو مشابه للجسيمات المستخدمة في المحول الحفاز للسيارة.” النانومتر هو جزء من المليون من المليمتر.

باستخدام الأشعة السينية من مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي ESRF في غرونوبل بفرنسا ، لم يكن الفريق قادرًا فقط على إنشاء صورة مفصلة للجسيمات النانوية ؛ كما قام بقياس الضغط الميكانيكي داخل سطحه. يوضح المؤلف المشارك فيليب بليسو من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) ، الذي قامت مجموعته بحساب الإجهاد كدالة لتكوين السطح: “إن إجهاد السطح مرتبط بتكوين السطح ، وخاصة نسبة البلاتين إلى ذرات الروديوم”. من خلال مقارنة السلالة المعتمدة على الوجوه المرصودة والمحسوبة ، يمكن استخلاص النتائج فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي على سطح الجسيم. تسمى الأسطح المختلفة للجسيمات النانوية أوجه ، تمامًا مثل جوانب الحجر الكريم المقطوع.

عندما ينمو الجسيم النانوي ، يتكون سطحه بشكل أساسي من ذرات البلاتين ، حيث يفضل هذا التكوين بقوة. ومع ذلك ، درس العلماء شكل الجسيم وانفعال سطحه في ظل ظروف مختلفة ، بما في ذلك ظروف تشغيل المحول الحفاز الآلي. للقيام بذلك ، قاموا بتسخين الجسيم إلى حوالي 430 درجة مئوية وسمحوا لأول أكسيد الكربون وجزيئات الأكسجين بالمرور فوقه. “في ظل ظروف التفاعل هذه ، يصبح الروديوم الموجود داخل الجسيم متحركًا ويهاجر إلى السطح لأنه يتفاعل بقوة أكبر مع الأكسجين من البلاتين ،” يوضح بليسو. هذا أيضا تنبأت به النظرية.

يقول المؤلف المشارك إيفان فارتانيانتس ، من DESY ، الذي قام فريقه بتحويل بيانات حيود الأشعة السينية إلى صور مكانية ثلاثية الأبعاد: “نتيجة لذلك ، يتغير إجهاد السطح وشكل الجسيم”. “يتم تخصيب الروديوم المعتمد على الوجوه ، حيث يتم تكوين زوايا وحواف إضافية.” يؤثر التركيب الكيميائي للسطح وشكل وحجم الجزيئات بشكل كبير على وظيفتها وكفاءتها. ومع ذلك ، فإن العلماء بدأوا للتو في فهم كيفية ارتباطها بالضبط وكيفية التحكم في بنية وتكوين الجسيمات النانوية. تسمح الأشعة السينية للباحثين باكتشاف تغيرات أقل من 0.1 في الألف في السلالة ، والتي تتوافق في هذه التجربة مع دقة تبلغ حوالي 0.0003 نانومتر (0.3 بيكومتر).

خطوة حاسمة نحو تحليل maerial المحفز الصناعي

يقول Stierle ، كبير العلماء في DESY وأستاذ علوم النانو في جامعة هامبورغ: “يمكننا الآن ، ولأول مرة ، أن نلاحظ تفاصيل التغييرات الهيكلية في مثل هذه الجسيمات النانوية المحفزة أثناء التشغيل”. “هذه خطوة كبيرة إلى الأمام وتساعدنا على فهم فئة كاملة من التفاعلات التي تستخدم الجسيمات النانوية المصنوعة من السبائك.” يريد العلماء في KIT و DESY الآن استكشاف هذا بشكل منهجي في مركز الأبحاث التعاوني الجديد 1441 ، بتمويل من مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) بعنوان “تتبع المواقع النشطة في التحفيز غير المتجانسة للتحكم في الانبعاثات (TrackAct).”

يشير Stierle إلى أن “تحقيقنا هو خطوة مهمة نحو تحليل المواد التحفيزية الصناعية”. حتى الآن ، كان على العلماء تطوير أنظمة نموذجية في المختبر من أجل إجراء مثل هذه التحقيقات. “في هذه الدراسة ، وصلنا إلى الحد الأقصى لما يمكن القيام به. مع مجهر الأشعة السينية PETRA IV المخطط له من DESY ، سنتمكن من فحص الجسيمات الفردية الأصغر بعشر مرات في محفزات حقيقية ، وتحت ظروف التفاعل.”

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *