Nanocatalizzatori metallici: cosa succede davvero durante la catalisi
Nuove conoscenze sul comportamento chimico
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Utilizzando una combinazione di spettromicroscopia presso il BESSY II e di analisi microscopiche presso il NanoLab del DESY, un team ha acquisito nuove conoscenze sul comportamento chimico dei nanocatalizzatori durante la catalisi. Le nanoparticelle erano costituite da un nucleo di platino con un guscio di rodio. Questa configurazione consente di comprendere meglio i cambiamenti strutturali, ad esempio, nei catalizzatori rodio-platino per il controllo delle emissioni. I risultati mostrano che, in condizioni catalitiche tipiche, parte del rodio del guscio può diffondersi all'interno delle nanoparticelle. Tuttavia, la maggior parte rimane sulla superficie e si ossida. Questo processo dipende fortemente dall'orientamento superficiale delle sfaccettature delle nanoparticelle.
Questa immagine scattata con un microscopio elettronico a scansione mostra nanoparticelle di platino rivestite di rodio su un substrato conduttivo. Le sfaccettature cristalline sono chiaramente visibili nella forma poliedrica delle nanoparticelle.
© Arno Jeromin, DESY NanoLab
Le nanoparticelle misurano meno di un decimillesimo di millimetro di diametro e hanno aree superficiali enormi in relazione alla loro massa. Questo le rende interessanti come catalizzatori: le nanoparticelle metalliche possono facilitare le conversioni chimiche, sia per la protezione dell'ambiente, sia per la sintesi industriale o la produzione di carburanti (sostenibili) da CO2 e idrogeno.
Nucleo di platino con guscio di rodio
Il platino (Pt) è uno dei più noti catalizzatori metallici ed è utilizzato nella catalisi eterogenea in fase gassosa per il controllo delle emissioni, ad esempio per convertire il monossido di carbonio tossico presente nei gas di scarico dei motori a combustione in CO2 non tossica. Miscelare le particelle di platino con l'elemento rodio (Rh) può aumentare ulteriormente l'efficienza", afferma Jagrati Dwivedi, primo autore della pubblicazione. La posizione dei due elementi gioca un ruolo importante in questo processo. Le cosiddette nanoparticelle core-shell, con un nucleo di platino e un guscio di rodio estremamente sottile, possono aiutare nella ricerca della distribuzione ottimale degli elementi che può estendere la durata delle nanoparticelle.
Esperimenti al BESSY II e al DESY NanoLab
Finora, tuttavia, si sapeva poco su come cambia la composizione chimica della superficie di un catalizzatore durante il funzionamento. Un team guidato dal dottor Thomas F. Keller, responsabile del gruppo di microscopia del DESY NanoLab, ha ora studiato queste nanoparticelle cristalline di Pt-Rh al BESSY II e ha acquisito nuove conoscenze sui cambiamenti delle sfaccettature delle nanoparticelle poliedriche.
Le nanoparticelle sono state prima caratterizzate e marcate nelle loro vicinanze utilizzando la microscopia elettronica a scansione e la microscopia a forza atomica presso il DESY NanoLab. Questi marcatori sono stati poi utilizzati per analizzare le stesse nanoparticelle dal punto di vista spettroscopico e per riprodurle simultaneamente al microscopio con l'ausilio di luce a raggi X su uno strumento speciale presso BESSY II.
Lo strumento SMART dell'Istituto Fritz Haber della Max Planck Society consente la microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X (XPEEM) in modalità microscopio. Questo permette di distinguere i singoli elementi con un'alta risoluzione spaziale, consentendo l'osservazione dei processi chimici negli strati atomici vicini alla superficie. Lo strumento consente l'analisi chimica di singoli elementi con una risoluzione di 5-10 nanometri, un risultato unico nel suo genere", spiega Thomas Keller. L'indagine ha dimostrato che il rodio può diffondersi parzialmente nei nuclei di platino durante la catalisi: i due elementi sono miscibili alle tipiche temperature di esercizio del catalizzatore. La miscelazione è potenziata in un ambiente riducente (H2 ) e rallentata in un ambiente ossidante (O2 ) senza invertire il flusso netto di rodio nel platino. A temperature più elevate, questo processo aumenta addirittura in modo significativo", spiega Keller.
Tassi di reazione diversi
Le velocità di reazione dipendono anche dall'orientamento delle sfaccettature delle nanoparticelle. Sono particolarmente elevati su alcune sfaccettature", sottolinea Jagrati Dwivedi: "Il nostro studio risolto sulle sfaccettature mostra che l'ossidazione del rodio è maggiore sulle sfaccettature con molti gradini atomici, dove gli atomi sono più facilmente legati". Questa analisi dettagliata del comportamento di ossidazione contribuirà all'ulteriore ottimizzazione di questi nanocatalizzatori, che possono subire cambiamenti irreversibili durante l'uso.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Jagrati Dwivedi, Lydia J. Bachmann, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Heshmat Noei, Liviu C. Tănase, Aarti Tiwari, Lucas de Souza Caldas, Thomas Schmidt, Beatriz Roldan Cuenya, Andreas Stierle, Thomas F. Keller; "Spectro-Microscopy of Individual Pt–Rh Core–Shell Nanoparticles during Competing Oxidation and Alloying"; ACS Nano, Volume 19, 2025-7-30
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