Så viktiga är grannarna i en katalysator

–  Det långsiktiga målet med forskningen är att kunna urskilja superpartiklar som kan bidra till mer effektiva katalysatorer i framtiden. För att utnyttja resurserna bättre än idag vill vi också att så många partiklar som möjligt ska vara aktiva samtidigt, säger forskningsledaren Christoph Langhammer vid institutionen för fysik på Chalmers.

Tänk dig en städdag där en stor mängd grannar har samlats på lummig innergård. Personerna i gruppen ska tillsammans fixa iordning och göra rent och snyggt. Problemet är bara att alla inte är lika aktiva. Medan somliga arbetar hårt och effektivt, strosar andra runt, vilar eller dricker kaffe.

Om man bara såg till slutresultatet, skulle det vara svårt att veta vilka som jobbat effektivt och vilka som mest kopplat av. För att avgöra det hade man behövt vara där och övervaka varje person under hela dagen. Samma sak gäller aktiviteten hos metalliska nanopartiklar i en katalysator. En del av partiklarna är effektiva medan andra är inaktiva i det fördolda.

Katalysatorer används för att påskynda kemiska processer, till exempel att göra avgaserna från en bil mindre skadliga. Inne i katalysatorn finns ett myller av partiklar som påverkar hur effektiva reaktionerna blir. Partiklarna gömmer sig i olika porer, ungefär som i en tvättsvamp, och är därför svåra att studera.

Resurseffektivare avgasrening

För att kunna se vad som verkligen händer inne i en katalysatorpor har Chalmersforskarna isolerat en handfull kopparpartiklar i ett genomskinligt nanorör av glas. När ett fåtal grannar samsas i det gasfyllda lilla röret går det att studera vem som gör vad och när under verkliga förhållanden. Det som händer i röret är att partiklarna kommer i kontakt med en inflödande gasblanding av syre och kolmonoxid. När ämnena reagerar med varandra på partiklarnas yta bildas koldioxid. Det är samma reaktion som sker i en bil när avgaserna renas. I dagens bilkatalysatorer används ofta partiklar av metallerna platina, palladium och rhodium för att bryta ner den giftiga gasen kolmonoxid. Eftersom dessa metaller är både dyra och knappa, söker forskarna efter mer resurseffektiva alternativ.

– Koppar kan vara en intressant kandidat när det gäller att oxidera kolmonoxid. Utmaningen är att koppar har en tendens att själv förändras under reaktionen och vi behöver kunna mäta vilket oxidationstillstånd en partikel har när den är som mest aktiv inne i katalysatorn. Detta blir nu möjligt med vår nanoreaktor som efterliknar en por i en riktig katalysator, säger David Albinsson, forskare vid institutionen för fysik på Chalmers

Mesta möjliga grannsamverkan

Alla som har sett ett hustak eller en staty av koppar vet att den rödbruna metallen snart blir grön när den kommer i kontakt med luft och reagerar med föroreningar. Samma sak händer alltså med kopparpartiklarna i katalysatorerna. Det gäller därför att få dem att jobba tillsammans på ett effektivt sätt.

– Det vi har visat nu är att oxidationstillståndet kan påverkas av de närmaste grannarna. Därför är förhoppningen att vi på sikt kan spara resurser med hjälp av optimerad grannsamverkan i en katalysator, säger Christoph Langhammer, biträdande professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Vetenskapliga artiklar:

• Operando detection of single nanoparticle activity dynamics inside a model pore catalyst material (David Albinsson, Stephan Bartling, Sara Nilsson, Henrik Ström, Joachim Fritzsche och Christoph Langhammer)Science Advances
• Copper catalysis at operando conditions—bridging the gap between single nanoparticle probing and catalyst-bed-averaging (David Albinsson, Astrid Boje, Sara Nilsson, Christopher Tiburski, Anders Hellman, Henrik Ström och Christoph Langhammer)Nature Communications

Forskarna är verksamma vid institutionen för fysik och institutionen för mekanik och maritima vetenskaper på Chalmers, samt vid Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU) i Trondheim, Norge.

Kontakt:

David Albinsson, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, aldavid@chalmers.se
Christoph Langhammer, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers, clangham@chalmers.se