Os conversores catalíticos para limpar as emissões de gases de escape são mais eficientes quando usam nanopartículas com muitas arestas. Esta é uma das conclusões de um estudo realizado na fonte de raios-X do DESY, PETRA III. Uma equipe de cientistas do DESY NanoLab assistiu ao vivo enquanto o nocivo monóxido de carbono era convertido em dióxido de carbono comum na superfície de nanopartículas de metal nobre como aquelas usadas em conversores catalíticos de carros. Os cientistas estão apresentando suas descobertas na revista Cartas de revisão física . Seus resultados sugerem que ter um grande número de bordas aumenta a eficiência das reações catalíticas, como as diferentes facetas das nanopartículas são frequentemente cobertas por ilhas crescentes de um nano óxido, finalmente tornando essas facetas inativas. Nas bordas, as ilhas de óxido não podem se conectar, deixando locais ativos para a reação catalítica.

Os conversores catalíticos costumam usar nanopartículas porque têm uma área de superfície muito maior para uma determinada quantidade do material, no qual a reação catalítica pode ocorrer. Para o estudo apresentado aqui, os cientistas do NanoLab do DESY cultivaram nanopartículas de platina-ródio em um substrato de forma que praticamente todas as partículas estivessem alinhadas na mesma direção e tivessem a mesma forma de octaedros truncados (os octaedros se assemelham a pirâmides duplas). Os cientistas estudaram então as propriedades catalíticas desta amostra sob as condições de trabalho típicas de um conversor catalítico automotivo, com diferentes composições gasosas em uma câmara de reação que foi exposta a intensos raios-X do PETRA III na linha de luz P09.

A eficiência dos materiais catalíticos pode ser medida usando um espectrômetro de massa que revela as proporções de certos tipos de moléculas nas emissões de escapamento, aqui, as concentrações relativas de monóxido de carbono, oxigênio e dióxido de carbono. “Fazemos uma espécie de teste de emissão nas nanopartículas, "explica Uta Hejral, o primeiro autor do artigo, agora trabalhando na Lund University na Suécia. Por causa do alinhamento paralelo das nanopartículas, os cientistas também foram capazes de determinar as superfícies das nanopartículas nas quais a reação foi particularmente bem. "Aqui podemos realmente acompanhar a reação em escala atômica, "Hejral aponta.

Normalmente, as nanopartículas de metal nobre no conversor catalítico de um carro são anexadas a minúsculas migalhas de substrato, que se unem formando estruturas complexas. "São difíceis de examinar com raios-X, porque os metais nobres representam apenas uma pequena porcentagem em peso e, em particular, porque as nanopartículas estão alinhadas em todos os tipos de direções diferentes, "explica Andreas Stierle, que é um cientista líder no DESY e professor de nanociência na Universidade de Hamburgo. "Sob iluminação de raios-X, cada partícula produz um padrão de difração separado e estes se sobrepõem para criar uma imagem borrada. Por tê-los alinhados em paralelo uns com os outros, por outro lado, os padrões de difração de todas as nanopartículas se sobrepõem e se amplificam. Isso permite que as diferentes facetas das nanopartículas, em outras palavras, suas superfícies individuais, para ser identificado e especificamente observado. "

A investigação mostrou que a reatividade das nanopartículas aumenta drasticamente em uma determinada concentração de oxigênio. "Isso acontece quando apenas oxigênio suficiente está disponível para oxidar cada molécula de monóxido de carbono e transformá-la em dióxido de carbono, "diz Stierle. Além dessa concentração, a reatividade cai gradualmente novamente porque uma espessa camada de óxido cresce na superfície das partículas, impedindo a reação. A análise de raios-X revela a estrutura atômica da superfície das nanopartículas com a melhor resolução possível nas condições em que a reação ocorre. Isso mostra que uma vez que uma certa concentração de oxigênio é excedida, as diferentes faces de cristal das nanopartículas ficam revestidas com um sanduíche de oxigênio-ródio-oxigênio, até que eventualmente a superfície do metal seja completamente coberta por esta camada de nano óxido.

"O óxido de superfície eventualmente forma uma camada fechada sobre as nanopartículas, "relata Hejral." Isso é desfavorável para a reação desejada no início, porque torna difícil para as moléculas de monóxido de carbono se ligarem à superfície. Contudo, o oxigênio é incapaz de formar um filme fechado ao longo das bordas entre as faces das nanopartículas, o que significa que a reatividade ao longo das bordas é maior. "Esta descoberta sugere um caminho direto para tornar os conversores catalíticos mais eficientes:" Esperamos que os conversores catalíticos sejam cada vez mais eficientes quanto mais bordas as nanopartículas tiverem para uma determinada área de superfície, "diz Stierle. Essa descoberta provavelmente também pode ser aplicada a muitas outras reações catalíticas. Estudos adicionais terão que mostrar o quanto a eficiência pode ser aumentada como resultado.

DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo. Os pesquisadores usam as instalações de grande escala do DESY para explorar o microcosmo em toda a sua variedade - desde a interação de minúsculas partículas elementares ao comportamento de nanomateriais inovadores e os processos vitais que ocorrem entre as biomoléculas e os grandes mistérios do universo. Os aceleradores e detectores que DESY desenvolve e constrói em suas instalações em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa exclusivas. DESY é membro da Helmholtz Association, e recebe seu financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (90 por cento) e dos estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10 por cento).