Ein Forscherteam hat durch die Kombination von Spektromikroskopie am BESSY II und mikroskopischen Analysen am DESY NanoLab neue Erkenntnisse über das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse gewonnen. Diese Nanopartikel, die aus einem Platin-Kern und einer Rhodium-Schale bestehen, sind entscheidend, um strukturelle Veränderungen in Rhodium-Platin-Katalysatoren zur Emissionskontrolle besser zu verstehen.
Aufbau und Funktion von Nanopartikeln
Nanopartikel sind mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntausendstel eines Millimeters extrem klein. Im Verhältnis zu ihrer Masse haben sie jedoch eine enorme Oberfläche. Diese Eigenschaft macht sie zu idealen Katalysatoren, da sie chemische Umwandlungen effizient beschleunigen können. Sie finden Anwendung in Bereichen wie dem Umweltschutz, der industriellen Synthese und der Produktion von nachhaltigen Brennstoffen aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff. Die Analyse zeigte, dass das Rhodium der Schale teilweise in das Innere der Nanopartikel diffundiert. Der Großteil verbleibt jedoch an der Oberfläche und oxidiert.
Platin ist einer der bekanntesten Metallkatalysatoren und wird in der heterogenen Gasphasen-Katalyse zur Emissionskontrolle eingesetzt. Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Umwandlung von giftigem Kohlenmonoxid in ungiftiges CO₂ in den Abgasen von Verbrennungsmotoren. „Durch die Mischung von Platin-Partikeln mit dem Element Rhodium (Rh) lässt sich die Effizienz weiter steigern“, sagt die Erstautorin Jagrati Dwivedi. Dabei spielt es eine große Rolle, wo sich die beiden Elemente befinden. Kern-Schale-Nanopartikel, die aus einem Platin-Kern und einer dünnen Rhodium-Schale bestehen, können dabei helfen, eine optimale Anordnung zu finden, die die Lebensdauer der Nanopartikel verlängert.
Untersuchung der Nanopartikel
Bisher war wenig über die chemischen Veränderungen an der Oberfläche eines Katalysators während des Betriebs bekannt. Ein Team um Dr. Thomas F. Keller vom DESY NanoLab untersuchte die kristallinen Pt-Rh-Nanopartikel am BESSY II. Die Forschenden erhielten so neue Einblicke in die Veränderungen an den Facetten der polyederförmigen Partikel. Um die Nanopartikel zu charakterisieren, wurden sie zunächst am DESY NanoLab mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert und mit Markierungen versehen. Durch diese Marker war es möglich, am BESSY II die exakt gleichen Nanopartikel zu identifizieren und sie dort mit einem speziellen Instrument zeitgleich spektroskopisch mit Röntgenlicht zu analysieren und mikroskopisch abzubilden.
Das SMART-Instrument des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft ermöglicht die Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPEEM) im Mikroskopmodus. Dadurch können einzelne Elemente mit hoher räumlicher Auflösung unterschieden und chemische Prozesse in oberflächennahen Atomschichten beobachtet werden. „Das Instrument ermöglicht die chemische Analyse einzelner Elemente mit einer Auflösung von 5-10 Nanometern, das ist einzigartig“, sagt Thomas Keller. Die Untersuchungen zeigen, dass Rhodium im Verlauf der Katalyse teilweise in die Platin-Kerne hineindiffundieren kann: Beide Elemente sind bei den typischen Einsatztemperaturen des Katalysators mischbar. Die Mischung wird in reduzierender Umgebung (H2) verstärkt und in oxidativer Umgebung (O2) gebremst, ohne den Netto-Fluss von Rhodium in Platin umzukehren. „Bei höherer Temperatur nimmt dieser Prozess sogar stark zu“, erklärt Keller.
Die Reaktionsraten hängen auch von der Orientierung der kristallinen Facetten der Nanopartikel ab. „An manchen Facetten sind sie besonders hoch“ betont Jagrati Dwivedi: „Unsere facettenaufgelöste Studie zeigt die höchste Rhodium-Oxidation an Facetten, die viele atomare Stufen besitzen und an denen die Atome am leichtesten gebunden sind.“ Diese detaillierte Analyse des Oxidationsverhaltens trägt zu einer weiteren Optimierung solcher Nanokatalysatoren bei, die sich im Einsatz irreversibel verändern können.
Quelle
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (09/2025)
Publikation
Spectro-Microscopy of Individual Pt–Rh Core–Shell Nanoparticles during Competing Oxidation and Alloying
Jagrati Dwivedi, Lydia J. Bachmann, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Heshmat Noei, Liviu C. Tănase, Aarti Tiwari, Lucas de Souza Caldas, Thomas Schmidt, Beatriz Roldan Cuenya, Andreas Stierle, Thomas F. Keller
DOI: 10.1021/acsnano.5c07668
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07668