Los convertidores catalíticos para limpiar las emisiones de escape son más eficientes cuando utilizan nanopartículas con muchos bordes. Este es uno de los hallazgos de un estudio realizado en la fuente de rayos X PETRA III de DESY. Un equipo de científicos del DESY NanoLab observó en vivo cómo el nocivo monóxido de carbono se convertía en dióxido de carbono común en la superficie de nanopartículas de metales nobles como las que se usan en los convertidores catalíticos de los automóviles. Los científicos presentan sus hallazgos en la revista. Cartas de revisión física . Sus resultados sugieren que tener un gran número de aristas aumenta la eficiencia de las reacciones catalíticas, ya que las diferentes facetas de las nanopartículas a menudo están cubiertas por islas crecientes de un nanoóxido, finalmente desactivando estas facetas. En los bordes las islas de óxido no se pueden conectar, dejando sitios activos para la reacción catalítica.

Los convertidores catalíticos suelen utilizar nanopartículas porque tienen una superficie mucho mayor para una determinada cantidad de material. en el que puede tener lugar la reacción catalítica. Para el estudio presentado aquí, Los científicos del NanoLab de DESY cultivaron nanopartículas de platino-rodio en un sustrato de tal manera que prácticamente todas las partículas estaban alineadas en la misma dirección y tenían la misma forma de octaedros truncados (los octaedros se asemejan a pirámides dobles). Luego, los científicos estudiaron las propiedades catalíticas de esta muestra en las condiciones de trabajo típicas de un convertidor catalítico automotriz. con diferentes composiciones gaseosas en una cámara de reacción que fue expuesta a intensos rayos X de PETRA III en la línea de luz P09.

La eficiencia de los materiales catalíticos se puede medir utilizando un espectrómetro de masas que revela las proporciones de ciertos tipos de moléculas en las emisiones de escape. aquí las concentraciones relativas de monóxido de carbono, oxígeno y dióxido de carbono. "Realizamos una especie de prueba de emisión de las nanopartículas, "explica Uta Hejral, el primer autor del artículo, ahora trabaja en la Universidad de Lund en Suecia. Debido a la alineación paralela de las nanopartículas, los científicos también pudieron determinar las superficies de las nanopartículas en las que la reacción fue particularmente bien. "Aquí realmente podemos seguir la reacción a escala atómica, "Señala Hejral.

Normalmente, las nanopartículas de metales nobles en el convertidor catalítico de un automóvil están unidas a pequeñas migajas de sustrato, que se pegan formando estructuras complejas. "Son difíciles de examinar con rayos X, porque los metales nobles solo representan un pequeño porcentaje en peso y, en particular, porque las nanopartículas están alineadas en todo tipo de direcciones diferentes, "explica Andreas Stierle, quien es científico principal en DESY y profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo. "Bajo iluminación de rayos X, cada partícula produce un patrón de difracción separado y estos se superponen para crear una imagen borrosa. Al tenerlos alineados en paralelo entre sí, por otra parte, los patrones de difracción de todas las nanopartículas se superponen y se amplifican entre sí. Esto permite que las diferentes facetas de las nanopartículas, en otras palabras, sus superficies individuales, para ser identificado y observado específicamente ".

La investigación mostró que la reactividad de las nanopartículas aumenta drásticamente a una determinada concentración de oxígeno. "Esto sucede cuando hay suficiente oxígeno disponible para oxidar cada molécula de monóxido de carbono y convertirlo en dióxido de carbono, "dice Stierle. Más allá de esa concentración, la reactividad cae gradualmente de nuevo porque una capa gruesa de óxido crece en la superficie de las partículas, impidiendo la reacción. El análisis de rayos X revela la estructura atómica de la superficie de las nanopartículas en la mejor resolución aún bajo las condiciones en las que ocurre la reacción. Esto muestra que una vez que se excede una cierta concentración de oxígeno, las diferentes caras de cristal de las nanopartículas se recubren con un sándwich de oxígeno-rodio-oxígeno, hasta que finalmente la superficie del metal está completamente cubierta por esta capa de nano óxido.

"El óxido de la superficie finalmente forma una capa cerrada sobre las nanopartículas, "informa Hejral." Esto es desfavorable para la reacción deseada al principio, porque dificulta que las moléculas de monóxido de carbono se adhieran a la superficie. Sin embargo, el oxígeno no puede formar una película cerrada a lo largo de los bordes entre las caras de las nanopartículas, lo que significa que la reactividad a lo largo de los bordes es mayor ". Este hallazgo sugiere una vía directa para hacer que los convertidores catalíticos sean más eficientes:" Esperamos que los convertidores catalíticos sean cada vez más eficientes cuanto más bordes tengan las nanopartículas para un área de superficie determinada, ", dice Stierle. Este hallazgo probablemente también se pueda aplicar a muchas otras reacciones catalíticas. Los estudios adicionales tendrán que mostrar cuánto se puede aumentar la eficiencia como resultado.

DESY es uno de los principales centros de aceleración de partículas del mundo. Los investigadores utilizan las instalaciones a gran escala de DESY para explorar el microcosmos en toda su variedad, desde la interacción de pequeñas partículas elementales hasta el comportamiento de nanomateriales innovadores y los procesos vitales que tienen lugar entre biomoléculas y los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) (90 por ciento) y de los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10 por ciento).