Un equipo de investigación formado por NIMS, Los grupos de la Universidad de Kyoto y la Universidad de Oita midieron con éxito por primera vez los estados electrónicos de nanopartículas de aleación que consisten en rodio (Rh) y cobre (Cu) que exhiben actividades catalíticas similares en diferentes proporciones de Rh a Cu. Las nanopartículas sirven como catalizador para la purificación de los gases de escape.

Un equipo de investigación ha medido por primera vez con éxito los estados electrónicos de nanopartículas (NP) de aleación de Rh-Cu que exhiben actividades catalíticas similares en diferentes proporciones de Rh a Cu (por número de átomos). Las nanopartículas sirven como catalizador para la purificación de los gases de escape. Los resultados indicaron que es difícil correlacionar los estados electrónicos de las NP con sus actividades catalíticas. Un análisis más detallado de la relación entre estas dos variables puede conducir al descubrimiento de nuevos métodos para hacer que las NP de aleación sean tan efectivas catalíticamente como las NP de Rh puro. Es posible que estos métodos no se basen en la coincidencia de los estados electrónicos del NP de aleación con los de NP de Rh puro.

El elemento raro Rh es un catalizador prometedor para la purificación de gases de escape de automóviles y otras fuentes. Sin embargo, porque Rh es un recurso muy valioso, su uso debe minimizarse. El grupo de Kitagawa en la Universidad de Kyoto logró previamente sintetizar NP de aleación Rh-Cu, lo cual es imposible de lograr utilizando materiales a granel. El grupo de Nagaoka en la Universidad de Oita confirmó que estos NP de aleación son capaces de servir como catalizador para la purificación de gases de escape oxidando componentes de gases de escape como CO y NOx. Su capacidad catalítica era comparable a la de Rh NPs puros, y no disminuyó con la disminución del contenido de Rh. En general, se suponía que cambiar la composición de los NP de aleación también cambiaría sus estados electrónicos, y que sus actividades catalizadoras estaban estrechamente relacionadas con sus estados electrónicos. Basado en estos supuestos, muchos científicos de materiales habían estado interesados ​​en estudiar los estados electrónicos de los NP de aleación Rh-Cu. Los problemas técnicos hicieron que un estudio de este tipo fuera difícil de implementar en la realidad. Recientemente, El grupo de Sakata en NIMS midió por primera vez los estados electrónicos de los NP de aleación de Rh-Cu en diferentes proporciones de Rh a Cu.

Es muy difícil evaluar con precisión los estados electrónicos de las NP mediante espectroscopía de fotoelectrones que emplean rayos X de baja energía (suaves). Esto se debe a que las superficies NP están recubiertas con un material protector para evitar que se agrupen. Para superar este problema, Tomamos mediciones de espectroscopía de fotoelectrones de los NP en la línea de luz del NIMS ubicada en la instalación de radiación de sincrotrón más grande del mundo (SPring-8). La instalación nos permitió recopilar datos de estado electrónico de la totalidad de los NP utilizando rayos X de alta energía (duros) capaces de penetrar el material de la capa exterior protectora. Examinamos los estados electrónicos (estados de oxidación) de dos tipos de NP de aleación de Rh-Cu:NP con un contenido de Rh más alto (alrededor del 80%) y de Rh:Cu (alrededor del 50%) comparable. Se encontraron estados de oxidación similares en las NP con mayor contenido de Rh y en las NP de Rh puro. Por otra parte, Las NP con la relación Rh:Cu comparable tenían menor proporción de Rh (3-δ) + en estado de oxidación y mayor Rh0 que las NP con mayor contenido de Rh y tenían una mayor proporción de Cu2 + en estado de oxidación.

Estos resultados indican que las evaluaciones más detalladas de los estados de los electrones son vitales para la creación de nuevos materiales catalíticos y otros materiales funcionales. En el futuro, planeamos realizar un estudio teórico sobre la relación entre las actividades catalíticas de los NP y sus estados electrónicos. Además, acelerar la creación de nuevos materiales funcionales, Promoveremos el desarrollo de la informática de materiales proporcionando nuestros datos sobre las estructuras electrónicas y las disposiciones atómicas de los NP de aleación y varios otros materiales.

Esta investigación fue apoyada por el programa Plataforma de Nanotecnología de Japón de MEXT, y el proyecto ACCEL de JST titulado "Creación de funciones innovadoras de materiales inteligentes sobre la base de la estrategia de elementos" (Profesor Hiroshi Kitagawa, líder del equipo de investigación).

Este estudio fue publicado en Informes científicos el 25 de enero 2017.