Nanoburger con difetti promettenti
Il team del DESY scopre difetti sorprendenti in minuscole particelle metalliche, che potrebbero stimolare lo sviluppo di catalizzatori più efficienti
I catalizzatori sono indispensabili in molte industrie: accelerano le reazioni chimiche, rendendole economicamente vantaggiose. Spesso sono costituiti da particelle minuscole, di pochi nanometri, alle quali le molecole si attaccano, facilitando la formazione di un legame con un altro reagente. I catalizzatori stessi rimangono inalterati. Una classe di nanocatalizzatori è costituita dai metalli preziosi platino e rodio ed è utilizzata, ad esempio, nella purificazione dei gas di scarico, nella produzione di idrogeno e nelle celle a combustibile.
Il Nano-Burger in azione: le due "metà" del catalizzatore platino-rodio interagiscono con i reagenti in questa simulazione.
Science Communication Lab for DESY
Il team guidato dal fisico del DESY Andreas Stierle studia da tempo questi catalizzatori di platino e rodio. Tuttavia, quando hanno analizzato nuovamente le particelle utilizzando i raggi X, sono rimasti sorpresi nel constatare che alcune nanoparticelle non sono piccoli grumi omogenei, ma consistono in una metà superiore e una inferiore, come le due metà di un panino per hamburger. Sebbene le due metà siano incollate tra loro, la natura di questo legame e il modo in cui influisce sulle proprietà catalitiche delle nanoparticelle non erano chiari.
Per capire questo aspetto, il team di Stierle ha progettato un esperimento presso la European Synchrotron Radiation Facility ESRF di Grenoble. 'Produce un fascio di raggi X estremamente stretto che può essere utilizzato per studiare le singole nanoparticelle', spiega Stierle. In particolare, i ricercatori hanno utilizzato un metodo noto come Bragg Coherent Diffraction Imaging (BCDI), in cui il fascio di raggi X crea uno speciale schema di diffrazione mentre attraversa la nanoparticella, che viene registrato da un rilevatore. Si possono quindi utilizzare algoritmi speciali per ricostruire la disposizione degli atomi nel reticolo cristallino e le deviazioni dalla struttura regolare - distorsioni, difetti e dislocazioni nel reticolo cristallino", spiega Ivan Vartanyants, che ha supervisionato le ricostruzioni.
Ciò che ha reso diverso il loro esperimento è che le misurazioni sono state eseguite mentre i nanocatalizzatori erano attivi. Il gruppo ha fatto passare un flusso di monossido di carbonio e ossigeno sulle nanoparticelle, sulla cui superficie il gas veniva convertito inCO2, a temperature superiori ai 400 gradi Celsius. Questi esperimenti sono stati estremamente difficili: abbiamo dovuto mantenere le nanoparticelle fisse entro una decina di nanometri, in modo che il fascio di raggi X illuminasse sempre l'intera particella", spiega la prima autrice Lydia Bachmann, che sta studiando questo argomento nell'ambito del suo dottorato di ricerca. Per farlo, abbiamo dovuto assicurarci che le condizioni fossero assolutamente stabili".
Il risultato è stato inaspettato: gli esperti hanno scoperto difetti cristallini pronunciati nel punto di incontro tra la metà superiore e quella inferiore dei nanoburger. Le due superfici di confine non combaciavano perfettamente l'una con l'altra; mancavano atomi intorno ai bordi esterni. Queste lacune causano lo spostamento di tutti gli atomi nelle vicinanze, distorcendo e spostando in modo significativo il reticolo cristallino.
L'aspetto davvero notevole è che questi "difetti" hanno avuto un effetto estremamente positivo sulle proprietà catalitiche dei nanoburger. I difetti fungono da siti di assorbimento unici per le molecole", spiega il coautore Thomas Keller. Molecole come l'ossigeno vi aderiscono molto bene, aumentando l'efficacia del catalizzatore". In futuro, questi risultati potrebbero aiutare l'industria a sviluppare catalizzatori più efficienti ed efficaci, attraverso una deliberata "ingegneria dei difetti" per creare il maggior numero possibile di siti di legame sulle nanoparticelle, dove le molecole possono essere convertite.
Il team intende continuare a lavorare per raggiungere questo obiettivo. Tra le altre cose, gli scienziati vorrebbero sapere come vengono creati i difetti nei nanoburger. Le particelle sono prodotte a temperature di 1.000 gradi Celsius e sospettiamo che i difetti si formino quando le particelle si raffreddano rapidamente", afferma il capo del team Stierle. Sembra che, essendo le particelle così piccole, si creino delle tensioni termiche al loro interno, che poi alterano l'ordine di impilamento degli strati cristallini". Se questo processo fosse compreso nei dettagli, sarebbe possibile ottimizzare il processo di produzione per creare difetti specifici del cristallo, particolarmente efficaci per aumentare l'effetto catalitico delle nanoparticelle.
Tra qualche anno, gli esperimenti condotti presso la sorgente di raggi X PETRA IV del DESY potrebbero essere d'aiuto. Il successore dell'attuale anello PETRA III produrrà raggi X molto più fini e focalizzati di quelli dell'ESRF. Ciò consentirà di studiare nanoparticelle molto più piccole di quanto sia stato possibile finora. I nanoburger che abbiamo esaminato a Grenoble avevano una dimensione di circa 100 nanometri", spiega Stierle. Le particelle catalitiche utilizzate oggi nell'industria hanno generalmente una dimensione di soli 10-20 nanometri. PETRA IV ci permetterà in futuro di analizzare queste particelle più rilevanti dal punto di vista industriale e di osservarle in azione in tempo reale".
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Pubblicazione originale
Lydia J. Bachmann, Dmitry Lapkin, Jan-Christian Schober, Daniel Silvan Dolling, Young Yong Kim, Dameli Assalauova, Nastasia Mukharamova, Jagrati Dwivedi, Tobias U. Schulli, Thomas F. Keller, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle; "Coherent X-ray Diffraction Imaging of a Twinned PtRh Catalyst Nanoparticle under Operando Conditions"; ACS Nano, 2025-6-25
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