Vols estar al dia? Subscriu-te al nostre newsletter. 1 E-mail cada 2 Mesos! |
 |
Esquerra: L'estudi ha estat seleccionat per a il·lustrar la portada de la revista científica Small. Dreta: Investigadors a l'interior de la cabina experimental de la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA. D'esquerra a dreta: Zhiwei Zhang (Ghent University), Matthias Minjauw (Ghent University), Matthias Filez (Ghent University - KU Leuven) i Juan Santo Domingo Peñaranda (Ghent University).
Cerdanyoal del Vallès, 2 de febrer de 2023. Els catalitzadors basats en nanopartícules metàl·liques són eficaços en un ampli rang de processos químics industrials rellevants, com la producció de combustibles nets, productes químics i farmacèutics o la neteja dels gasos de fuita dels automòbils. Aquests nanocatalizadors són clau per al futur de la química sostenible. Tot i això, solen patir de sinterització, un procés pel qual es desactiven ràpidament. A causa d'aquest procés, la grandària mitjana de les nanopartícules augmenta, ja que això és energèticament més favorable per a la nanopartícula. Tanmateix, això disminueix el seu poder catalític.
Fins avui els processos de sinterització s'analitzaven en la macroescala, per a examinar les propietats mitjanes de les nanopartícules. O bé en la microescala, estudiant nanopartícules individuals. No obstant això, existeix un buit de coneixement sobre el comportament dels nanocatalizadors en la mesoescala, la longitud intermèdia entre els mons macro i micro. En la mesoescala, grans conjunts de milers de nanopartícules es poden estudiar com una "població" en la qual les nanopartícules es "comuniquen" – interaccionen – entre elles. En aquest context, la sinterització es pot considerar com una població dinàmica de nanopartícules que interaccionen, cadascuna d'elles intercanviant àtoms per a guanyar estabilitat dins de la jerarquia de les nanopartícules.
En un estudi recent, liderat pel Sincrotró ALBA i la Universitat de Gant (Bèlgica), un equip de recerca ha desenvolupat una metodologia d'estudi en la qual complementen l'ús de diverses tècniques de caracterització per a analitzar el procés de sinterització de nanopartícules de platí en la micro-, meso- i macroescala. En concret van utilitzar diferents tècniques analítiques i la caracterització per dispersió de raigs-X en la línia de llum NCD-SWEET d'ALBA per a mostrar que són les heterogeneïtats de la població de nanopartícules en la mesoescala les que condueixen al procés de sinterizació. Per tant, eliminar aquestes heterogeneïtats ajudaria a evitar la sinterització.
Aquest treball, publicat en la revista científica Small i seleccionat per a il·lustrar la portada de l'últim número, ajudarà a ampliar el coneixement fonamental sobre la sinterització de nanopartícules i, com a resultat, a dissenyar millors estratègies per a la fabricació de catalitzadors.
Integració de diverses tècniques de caracterització
La microscòpia electrònica de rastreig d'alta resolució (HRSEM, per les seves sigles en anglès) combinada amb la simulació Monte Carlo va permetre estudiar la sinterització al llarg de tota la població de nanopartícules, també de nanopartícules individuals i el seu ambient local en la mesoescala, respectivament. Els resultats van mostrar que l'evolució en la grandària de nanopartícules individuals depèn fortament del seu entorn en la mesoescala, en el qual les heterogeneïtats en la població local generen zones riques en nanopartícules i zones lliures de nanopartícules durant el procés de sinterització.
"Vam desenvolupar i validar un model Monte Carlo enllaçant-ho a imatges experimentals de les nanopartícules en el seu ambient local. Aquest model va mostrar com les nanopartícules canvien durant el seu temps de vida catalítica i com la seva grandària evoluciona mitjançant l’intercanviant àtoms amb les seves veïnes, o col·lidint i creixent juntes. Gràcies a poder visualitzar l'evolució de moltes nanopartícules, vam poder classificar diversos subgrups que es comporten de diferents maneres. Abordar les raons que porten a la sinterització sobre la base d'aquesta anàlisi aporta directrius per a futures síntesis de catalitzadors." Detalla Matthias Filez, investigador postdoctoral en la Universitat de Gant i la KU Leuven i autor per a correspondència de l'article.
En la línia de llum NCD-SWEET del Sincrotró ALBA es va dur a terme la tècnica in situ de dispersió de raigs X d'alt angle per incidència rasant (GIWAXS, per les seves sigles en anglès). La tècnica es va aplicar per primera vegada per a fer un seguiment de la sinterització en temps real amb sensibilitat a subpoblacions de nanopartícules grans i petites per separat en un únic experiment. Això va permetre destapar les seves respectives propietats i comportaments, així com la seva interacció dinàmica mútua. Els resultats van mostrar que no totes les nanopartícules dins del subgrup de nanopartícules petites són igualment propenses a la sinterització, això depèn de la seva orientació cristal·logràfica sobre la superfície de suport.
"L'ús de la llum de sincrotró ens ha permès seguir l'evolució de les diferents famílies de nanopartícules al mateix temps que apliquem condicions ambientals rellevants per a la seva aplicació en el món real. Això no seria possible sense el brillant feix de raigs X de sincrotró, ja que estaríem cecs enfront dels canvis de les nanopartícules en temps real, limitant la ciència i els avanços que seríem capaços de realitzar." Explica Eduardo Solano, científic de la línia de llum NCD-SWEET d'ALBA i primer autor de l'article.
Referència: Eduardo Solano, Jolien Dendooven, Davy Deduytsche, Nithin Poonkottil, Ji-Yu Feng, Maarten B. J. Roeffaers, Christophe Detavernier, and Matthias Filez. Metal Nanocatalyst Sintering Interrogated at Complementary Length Scales. Small (2022). DOI: 10.1002/smll.202205217
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-21-17088.
