p (Phys.org) - Instantâneos em escala atômica de um catalisador de nanopartículas bimetálicas em ação forneceram informações que podem ajudar a melhorar o processo industrial pelo qual combustíveis e produtos químicos são sintetizados a partir do gás natural, carvão ou biomassa vegetal. Uma colaboração de laboratório multinacional liderada por pesquisadores com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) fez o exame mais detalhado de todos os tempos na evolução das nanopartículas bimetálicas de platina / cobalto durante reações em gases de oxigênio e hidrogênio. p "Usando microscopia eletrônica de transmissão corrigida para aberrações in situ (TEM), descobrimos que durante a reação de oxidação, átomos de cobalto migram para a superfície das nanopartículas, formando um filme epitaxial de óxido de cobalto, como água no óleo, "diz Haimei Zheng, um cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab que liderou este estudo. "Durante a reação de redução do hidrogênio, átomos de cobalto migram de volta para o grosso, deixando uma monocamada de platina na superfície. Esta informação atômica fornece um importante ponto de referência para projetar e projetar melhores catalisadores bimetálicos no futuro. "

p Zheng, um ganhador de 2011 do prêmio DOE Office of Science Early Career, é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa na revista Nano Letras intitulado "Revelando a reestruturação atômica de nanopartículas de Pt-Co". Os co-autores em Berkeley são Huolin Xin, Selim Alayoglu, Runzhe Tao, Lin-Wang Wang, Miquel Salmeron e Gabor Somorjai. Outros co-autores são Chong-Min Wang e Libor Kovarik, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL), Eric Stach do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), e Arda Genc da FEI Company em Oregon.

p Os catalisadores bimetálicos estão atraindo considerável atenção da indústria química atualmente porque, em muitos casos, eles oferecem desempenhos superiores aos seus equivalentes monometálicos. Também existe a possibilidade de ajustar seus desempenhos catalíticos para atender a necessidades específicas. Um catalisador bimetálico de interesse particular envolve o emparelhamento de platina, o padrão ouro de catalisadores monometálicos, com cobalto, um catalisador menor, mas dramaticamente mais barato que a platina. O catalisador de platina / cobalto não é apenas considerado um sistema modelo para o estudo de outros nanocatalisadores bimetálicos, é também um excelente promotor do amplamente utilizado processo Fischer-Tropsch, em que as misturas de hidrogênio e monóxido de carbono são convertidas em carbonos de cadeia longa para uso como combustíveis ou em células de combustível de baixa temperatura.

p "Embora tenha havido muitos estudos sobre platina / cobalto e outros catalisadores bimetálicos, informações sobre como as reações ocorrem atomicamente e como a morfologia parece estar faltando, "Diz Zheng." Para adquirir esta informação foi necessário mapear as estruturas atômicas em ambientes reativos in situ, que fizemos usando TEMs especialmente equipados. "

p Os experimentos ambientais de TEM in situ foram realizados no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, que está localizado no PNNL, e no Centro de Nanomateriais Funcionais do BNL. Imagens de TEM com correção de aberração ex situ foram feitas no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica de Berkeley Lab usando TEAM 0,5, o TEM mais poderoso do mundo.

p "Este trabalho é um excelente exemplo de trabalho colaborativo em equipe entre vários institutos, "Zheng diz." Ter acesso a recursos de ponta e ser capaz de formar equipes de colaboração tão próximas fortalece nossa capacidade de enfrentar problemas científicos desafiadores. "

p A aberração in situ corrigida estudos TEM de Zheng e seus colegas revelaram que, devido a uma incompatibilidade de tamanho entre as estruturas do filme epitaxial de óxido de cobalto e a superfície da platina, a rede de óxido de cobalto é comprimida na interface para se ajustar à rede de platina. À medida que a energia de tensão relaxa, o filme de óxido de cobalto começa a se quebrar para formar ilhas moleculares distintas na superfície da platina. Isso reduz a área de superfície de reação efetiva por volume e cria vazios catalíticos, ambos impactam o desempenho catalítico geral.

p "Levando em consideração essa segregação dos átomos de platina e cobalto, a tensão interfacial que surge durante a oxidação pode ser prevista, "Zheng diz." Podemos então projetar catalisadores de nanopartículas para garantir que durante as reações o material com maior desempenho catalítico estará na superfície das nanopartículas. "

p Zheng acrescenta que a capacidade de observar detalhes em escala atômica da evolução da estrutura das nanopartículas em seus ambientes reativos não só abre o caminho para um entendimento mais profundo da catálise de nanopartículas bimetálicas, também permite o estudo de uma ampla variedade de sistemas de nanopartículas onde as vias de reação permanecem indefinidas.