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研究人员开发新光谱分析技术 提供催化剂3D视图

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德国开发全新3D打印整合工艺 将被用于打印电池部件

58京牌 ,德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的瑞士光源(SLS)和法国的欧洲同步辐射光源(ESRF)的研究人员合作开发了一种新诊断工具,以了解催化剂活动时的结构和功能。Operando X射线光谱将以三维方式使复杂技术催化剂的结构和梯度可视化,方便了解运行中的化学反应器。

(图片来源:phys.org)

催化剂可用于加速化学反应,以减少能耗和不良副产物,通常必须具有高耐压性和机械强度,同时还要在动态环境下运行。为了改善现有的催化材料和工艺,需要确切了解其功能。KIT化学技术和高分子化学研究所(ITCP)的Thomas Sheppard博士表示:“无论是在大型化学反应器、电池还是在汽车中,催化剂通常具有高度复杂的结构。要真正了解这些材料是如何工作的,我们需要在催化剂工作时观察反应器内部,比较理想的是使用分析工具来检测活性催化剂复杂的3D结构。”

Operando X射线光谱可提供3D图像和主要化学信息

本项研究重点关注汽车催化转化器,由Thomas Sheppard博士负责领导。在研究过程中,该团队利用新开发的装置,并通过瑞士和法国的同步辐射设施进行断层成像实验。通过计算机断层扫描,可以产生3D图像样本(包括外部和内部),而不需要将其切开。研究人员使用一种特殊反应器,进行断层扫描和X射线光谱分析,以跟踪活性催化过程。

通过这种方式,在与真实汽车尾气一样的条件下,研究人员成功观察到排放控制催化剂的3D结构。这种Operando X射线光谱分析不仅可以提供样品的3D结构,还提供重要的化学信息。

该方法适用于多种催化剂

该研究的主要作者之一、ITCP的Johannes Becher表示:“催化剂的结构通常很复杂且不均匀,因此了解它是整体或部分执行其化学功能,具有重要意义。通过Operando X射线光谱分析,我们可以看到其中的具体结构和功能,从而判断催化剂是否以最高效率运行。更重要的是,它可以帮助我们了解潜在过程。”

在反应过程中,该团队观察到催化剂内活性铜物质的结构梯度。以前使用传统分析工具,无法做到这一点。这是考量排放控制催化剂性能的重要诊断信息。这种方法可以应用于许多不同的催化剂和化学过程。

为材料和反应诊断提供新机遇

该团队的研究表明,对活性催化剂的化学状态进行3D可视化检测,可以为材料和反应诊断带来新机会。ITCP的Jan-Dierk Grunwaldt教授表示:“以往我们不可能在不干扰催化剂的情况下,自由选择任一部分正在工作的催化剂并了解其中发生的反应。现在我们可以准确地追踪哪些反应正在发生,在哪里发生,以及为什么发生。对于提高我们对化学过程的理解,并设计更好、更高效催化剂,这具有关键意义。”

只要有合适的样品环境,可在不同的同步辐射光源上,使用Operando X射线光谱进行分析研究。研究团队将继续进行研究,以了解和改进排放控制催化剂的设计和效率。

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