Tilbake til søkeresultatene

SYNKNØYT-Progr.f.synkrotron- og nøytron

Towards nanoscale 3D imaging of working catalyst nanoparticles

Tildelt: kr 3,5 mill.

Målet med dette prosjektet var å bruke avanserte røntgenspredningsmetoder for å bedre forståelsen av nanostrukturerte materialer, med vekt på katalytiske anvendelser. Som det framgår av rapporteringen, har prosjektet vært vellykket og resultert i ny viten og flere gode publikasjoner. Prosjektet har også bidratt til kompetansebygging på in-situ eksperiment med gasser og høy temperatur. Lagring av karbondioksid blir for tiden heftig diskutert pga. at atmosfærisk karbondioksid er en viktig faktor for global oppvarming. For å lagre karbondioksid, må gassen først fanges i en reversibel prosess slik at den kan transporteres bort for videre opplagring. Dette kan gjøres med litiumzirkonat, hvor Li2ZrO3 reagerer med CO2 og blir til Li2CO3 og ZrO2 når partialtrykk et av CO2 er høyt og temperaturen over ~500 grader C. Den reversible reaksjonen skjer når partialtrykket av CO2 er lavt og temperaturen er over 650 grader C. Vi ønsket å avbilde disse partiklene under oppvarming til 600 grader C, og også når gassen blir s kiftet fra vanlig luft til karbondioksid. Dette er eksperimentelt krevende siden partiklene er meget små (~100 nm), og de må være omgitt av gass for at reaksjonene skal kunne foregå. Vi løste utfordringen ved å bruke koherent røntgenavbildning ("ptychogra phy"). Vi plasserte Li2ZrO3-partikler på tynne silisiumnitrid-membraner som vi monterte i en koherent røntgenstråle ved synkrotronen i Sveits (Swiss Light Source). Vi klarte å avbilde litiumzirkonat-partiklene under varierende gass- og temperaturforhold, hvilket er av stor vitenskapelig interesse. Resultatene er publisert i Applied Physics Letters (Høydalsvik et al, 2014). Et annet delarbeid handlet om å karakterisere nanostrukturer på overflater, nærmere bestemt en prøve med GaSb nanokjegler, ved hjel p av ellipsometri og GISAXS (grazing-incidence small-angle X-ray scattering). Ved å kombinere disse teknikkene kunne vi både regne ut midlere form på kjeglene og finne 2D pakke-mønster for kjeglene. Spesielt interessant var det å kunne konkludere fra begg e teknikkene at kjeglene har en viss tilt-vinkel i forhold til overflatenormalen. Arbeidet er akseptert for utgivelse i Thin Solid Films (Høydalsvik et al, 2013). Fischer-Tropsch Syntese er en katalytisk prosess for å omdanne hydrogen og karbonmonoksid t il drivstoff. Ofte brukes kobolt-nanopartikler med diameter ~20 nm til dette, ettersom man oppnår et stort total overflateareal fra katalysator-partiklene, og dermed høyere katalyse-aktivitet. Det er eksperimentelt krevende å studere nanopartikler under i ndustrielle prosessbetingelser med høy temperatur og høyt gasstrykk. Vi har brukt in situ småvinkel-røntgenspredning (SAXS) for å følge utviklingen av formen på nanopartiklene i alumina mens prøven ble utsatt for realistiske katalyseforhold (10 bars trykk og temperatur på 210 grader Celsius). Ved å sammenligne de målte småvinkel-spredningsmønstrene med teori og modeller, har vi funnet at partiklene kan anses å være "diffuse" ved at de har en kontinuerlig overgang i elektrontetthet mot omkringliggende mate riale. Fra dette kan vi konkludere at overflatestrukturen på partiklene endrer seg når syntesegassen blir ført inn. Det er sannsynlig at den observerte endringen av overflatestuktur er relatert til økt katalyse-aktivitet rett etter at syntesegass (hydroge n og karbonmonoksid) tilføres prøva. Dette åpner for bedret forståelse av hvordan syntesegassen påvirker overflaten til katalysepartiklene, som vil være nyttig for å konstruere mer effektive katalysatorer i framtiden. Resultatene ble presentert med foredr ag på Small-Angle Scattering konferansen (SAS-2012) i Sydney, og er publiser i Journal of Physical Chemistry C (Høydalsvik et al, 2014). Ytterligere eksperimenter er gjennomført og publisert, delfinansiert med dette prosjektet, vi nevner spesielt: - Sil kefibre under varierende relativ luftfuktighet har blitt studert med tomografi basert på koherent diffraksjon ("ptychography"). Det er kjent at det er porer inne i silkefibrene, og disse har vi avbildet ikke-destruktivt i 3D. Kvantitativ mapping av elektr ontettheten viser at proteinstrukturene i silkefibre, snarere enn porene, fylles under forhold med høy luftfuktighet. Arbeidet er publisert i Macromolecules (Esmaeili et al, 2013). - Groing av epitaksiell grafén ved industrielt realistiske (tilstrekkeli g lave) temperaturer er et vesentlig skritt for å kunne realisere elektronikk basert på grafén. Arbeidet er publisert i Carbon (Cooil et al, 2012). - Mesoporøse alumina substrat er viktig for en bedret forståelse av katalyse. Vi har demonstrert at alumi nafilmer med regulær porestruktur kan syntetiseres ved å bruke selv-organiserte blokk-kopolymere miceller. Arbeidet er publisert i Journal of Materials Chemistry A (Voss et al, 2014). Vi konkluderer at prosjektet har vært meget vellykket og frambrakt n y viten gjennom en serie nyskapende eksperimenter.

This proposal is aiming at developing new techniques for studying functional materials such as catalysts at their working conditions. Rational design of catalyst nanomaterials and the ability to identify and observe the active sites while functioning have been highlighted as key barriers for the future design of catalyst materials. While a wide range of techniques are routinely being used to characterise catalyst materials, only a limited few give direct information at reaction conditions relevant to indu strial processes (Weckhuysen 2009). Recent advances in methods utilising synchrotron radiation open for unprecedented opportunities to study the electronic and structural properties of nanostructured catalysts and to actually "see" these catalysts workin g in a realistic environment. In this context, the proposed project is especially targeting methods development for in situ characterization of catalysts, with characterisation of bimetallic core-shell nanoparticles as chosen model system.

Budsjettformål:

SYNKNØYT-Progr.f.synkrotron- og nøytron