Uma equipe de pesquisa composta por NIMS, Os grupos da Universidade de Kyoto e da Universidade de Oita mediram pela primeira vez com sucesso os estados eletrônicos de nanopartículas de liga consistindo de ródio (Rh) e cobre (Cu) que exibem atividades catalíticas semelhantes em diferentes razões Rh-para-Cu. As nanopartículas servem como um catalisador para a purificação dos gases de exaustão.

Uma equipe de pesquisa mediu pela primeira vez com sucesso os estados eletrônicos de nanopartículas de liga Rh-Cu (NPs) que exibem atividades catalíticas semelhantes em diferentes razões Rh-para-Cu (por número de átomos). As nanopartículas servem como um catalisador para a purificação dos gases de exaustão. Os resultados indicaram que é difícil correlacionar os estados eletrônicos dos NPs com suas atividades catalíticas. Uma análise mais detalhada sobre a relação entre essas duas variáveis ​​pode levar à descoberta de novos métodos de tornar NPs de ligas tão eficazes cataliticamente quanto Rh NPs puros. Esses métodos podem não ser baseados na combinação dos estados eletrônicos da liga NP com os de Rh NPs puros.

O raro elemento Rh é um catalisador promissor para a purificação de gases de escapamento de automóveis e outras fontes. Contudo, porque Rh é um recurso altamente valioso, seu uso precisa ser minimizado. O grupo de Kitagawa na Universidade de Kyoto já teve sucesso na síntese de NPs de liga Rh-Cu, o que é impossível de conseguir usando materiais a granel. O grupo de Nagaoka na Universidade de Oita confirmou que essas ligas NPs são capazes de servir como um catalisador para a purificação dos gases de escapamento pela oxidação dos componentes dos gases de escapamento, como CO e NOx. Sua capacidade catalítica era comparável à de Rh NPs puros, e não diminuiu com a diminuição do conteúdo de Rh. Em geral, presumia-se que alterar a composição das ligas NPs também mudaria seus estados eletrônicos, e que suas atividades catalíticas estavam intimamente relacionadas aos seus estados eletrônicos. Com base nessas suposições, muitos cientistas de materiais estavam interessados ​​em estudar os estados eletrônicos das ligas de Rh-Cu NPs. Problemas técnicos dificultaram a implementação desse estudo na realidade. Recentemente, O grupo de Sakata no NIMS pela primeira vez mediu os estados eletrônicos das ligas de Rh-Cu NPs em diferentes razões Rh-para-Cu.

É muito difícil avaliar com precisão os estados eletrônicos de NPs usando espectroscopia de fotoelétrons empregando raios-X de baixa energia (suaves). Isso ocorre porque as superfícies NP são revestidas com um material protetor para evitar que se aglutinem. Para superar esse problema, tomamos medidas de espectroscopia de fotoelétrons dos NPs na linha de luz do NIMS localizada na maior instalação de radiação síncrotron do mundo (SPring-8). A instalação nos permitiu coletar dados de estado eletrônico da totalidade dos NPs usando raios X de alta energia (duros) capazes de penetrar no material da camada externa protetora. Examinamos os estados eletrônicos (estados de oxidação) de dois tipos de NPs de liga Rh-Cu:NPs com um teor de Rh superior (cerca de 80%) e Rh comparável:Cu (cerca de 50%). Estados de oxidação semelhantes foram encontrados em NPs com o maior teor de Rh e em NPs Rh puros. Por outro lado, NPs com a razão Rh:Cu comparável tinham uma proporção menor de Rh (3-δ) + em um estado de oxidação e Rh0 maior do que os NPs com o conteúdo de Rh mais alto e tinham uma proporção maior de Cu2 + em um estado de oxidação.

Esses resultados indicam que avaliações mais detalhadas dos estados dos elétrons são vitais para a criação de novos materiais catalíticos e outros materiais funcionais. No futuro, pretendemos realizar um estudo teórico sobre a relação entre as atividades catalíticas dos NPs e seus estados eletrônicos. Além disso, para acelerar a criação de novos materiais funcionais, promoveremos o desenvolvimento de informática de materiais, fornecendo nossos dados sobre as estruturas eletrônicas e arranjos atômicos de ligas NPs e vários outros materiais.

Esta pesquisa foi apoiada pelo programa Nanotechnology Platform Japan do MEXT, e o projeto ACCEL da JST intitulado "Criação de funções inovadoras de materiais inteligentes com base na estratégia de elemento" (Professor Hiroshi Kitagawa, líder da equipe de pesquisa).

Este estudo foi publicado em Relatórios Científicos em 25 de janeiro, 2017