p Uma equipe de pesquisa liderada pelo DESY tem usado raios X de alta intensidade para observar uma única nanopartícula de catalisador em funcionamento. O experimento revelou pela primeira vez como a composição química da superfície de uma nanopartícula individual muda sob as condições de reação, tornando-o mais ativo. A equipe liderada por Andreas Stierle do DESY apresenta suas descobertas na revista Avanços da Ciência . Este estudo marca um passo importante para uma melhor compreensão do real, materiais catalíticos industriais. p Catalisadores são materiais que promovem reações químicas sem serem eles próprios consumidos. Hoje, catalisadores são usados ​​em vários processos industriais, da produção de fertilizantes à fabricação de plásticos. Por causa disso, os catalisadores são de grande importância econômica. Um exemplo bastante conhecido é o conversor catalítico instalado nos escapes dos automóveis. Estes contêm metais preciosos, como platina, ródio e paládio, que permitem que o monóxido de carbono (CO) altamente tóxico seja convertido em dióxido de carbono (CO ₂ ) e reduzir a quantidade de óxidos de nitrogênio prejudiciais (NO _x )

p "Apesar de seu amplo uso e grande importância, ainda ignoramos muitos detalhes importantes de como os vários catalisadores funcionam, "explica Stierle, chefe do DESY NanoLab. "É por isso que há muito desejamos estudar catalisadores reais em operação." Isso não é fácil, porque, a fim de tornar a superfície ativa o maior possível, catalisadores são normalmente usados ​​na forma de minúsculas nanopartículas, e as mudanças que afetam sua atividade ocorrem em sua superfície.

p A tensão superficial está relacionada à composição química

p No âmbito do projeto da UE Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA), a equipe do DESY NanoLab desenvolveu uma técnica para rotular nanopartículas individuais e, assim, identificá-las em uma amostra. "Para o estudo, nós cultivamos nanopartículas de uma liga de platina-ródio em um substrato no laboratório e marcamos uma partícula específica, "diz o co-autor Thomas Keller do DESY NanoLab e responsável pelo projeto no DESY." O diâmetro da partícula rotulada é de cerca de 100 nanômetros, e é semelhante às partículas usadas no conversor catalítico de um carro. "Um nanômetro é um milionésimo de milímetro.

p Usando raios-X do ESRF European Synchrotron Radiation Facility em Grenoble, França, a equipe não foi apenas capaz de criar uma imagem detalhada da nanopartícula; também mediu a deformação mecânica em sua superfície. "A deformação da superfície está relacionada à composição da superfície, em particular, a proporção de átomos de platina para ródio, "explica o co-autor Philipp Pleßow do Karlsruhe Institute of Technology (KIT), cujo grupo calculou a deformação em função da composição da superfície. Ao comparar a deformação dependente da faceta observada e calculada, conclusões podem ser tiradas com relação à composição química na superfície da partícula. As diferentes superfícies de uma nanopartícula são chamadas de facetas, assim como as facetas de uma pedra preciosa lapidada.

p Quando a nanopartícula cresce, sua superfície consiste principalmente de átomos de platina, como esta configuração é energeticamente favorecida. Contudo, os cientistas estudaram a forma da partícula e sua deformação superficial em diferentes condições, incluindo as condições de operação de um conversor catalítico automotivo. Para fazer isso, eles aqueceram a partícula a cerca de 430 graus Celsius e permitiram que as moléculas de monóxido de carbono e oxigênio passassem por ela. "Nessas condições de reação, o ródio dentro da partícula torna-se móvel e migra para a superfície porque interage mais fortemente com o oxigênio do que a platina, "explica Pleßow. Isso também é previsto pela teoria.

p "Como resultado, a deformação da superfície e a forma da mudança da partícula, "relata o co-autor Ivan Vartaniants, de DESY, cuja equipe converteu os dados de difração de raios-X em imagens espaciais tridimensionais. "Um enriquecimento de ródio dependente da faceta ocorre, pelo qual cantos e bordas adicionais são formados. "A composição química da superfície, e a forma e o tamanho das partículas têm um efeito significativo em sua função e eficiência. Contudo, os cientistas estão apenas começando a entender exatamente como eles estão conectados e como controlar a estrutura e a composição das nanopartículas. Os raios X permitem que os pesquisadores detectem mudanças de apenas 0,1 em mil na cepa, que neste experimento corresponde a uma precisão de cerca de 0,0003 nanômetros (0,3 picômetros).

p Passo crucial para a análise de materiais catalisadores industriais

p "Podemos agora, pela primeira vez, observar os detalhes das mudanças estruturais em tais nanopartículas de catalisador durante a operação, "diz Stierle, Cientista líder do DESY e professor de nanociência na Universidade de Hamburgo. "Este é um grande passo à frente e está nos ajudando a entender toda uma classe de reações que fazem uso de nanopartículas de liga." Cientistas da KIT e DESY agora querem explorar isso sistematicamente no novo Collaborative Research Center 1441, financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e intitulado "Rastreando os Locais Ativos em Catálise Heterogênea para Controle de Emissão (TrackAct)".

p "Nossa investigação é um passo importante para a análise de materiais catalíticos industriais, "Stierle aponta. Até agora, os cientistas tiveram que desenvolver sistemas-modelo em laboratório para realizar tais investigações. "Neste estudo, chegamos ao limite do que pode ser feito. Com o microscópio de raios-X PETRA IV planejado de DESY, seremos capazes de olhar para partículas individuais dez vezes menores em catalisadores reais, e sob condições de reação. "DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo e investiga a estrutura e função da matéria - desde a interação de minúsculas partículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas vitais até os grandes mistérios do universo. os aceleradores e detectores de partículas que o DESY desenvolve e constrói em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa exclusivas. Eles geram a radiação de raios-X mais intensa do mundo, acelere partículas para registrar energias e abrir novas janelas para o universo. DESY é membro da Helmholtz Association, A maior associação científica da Alemanha, e recebe seu financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) (90%) e dos estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10%).