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研究人员捕捉金纳米颗粒催化图像 以减少汽车CO排放

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58京牌 ,科学家们希望,通过强大的X射线光束检测微小的黄金颗粒,能够找到减少机动车有害一氧化碳(CO)排放的方法。

(图片来源:阿贡实验室)

据美国环保署介绍,燃料动力汽车是大气中最大的CO排放源。为了减少此类排放,需要进一步了解排气系统内发生的化学反应。此类反应通常以金为催化剂,将CO转化为CO2。

巴西同步加速器光实验室(LNLS)的科学家Aline Passos和 Florian Meneau带领研究团队,利用先进光子源(APS)中的超亮X射线,在催化类似汽车尾气中发生的反应时,照射微小的金颗粒。APS是美国能源部位于阿贡国家实验室的科学用户设施。Passos表示:“如果能更好地理解这种催化作用,就可以对其进行优化,从而更好地进行设计,改善CO排放。”

为了进行实验,Passos合成直径约60nm的金纳米颗粒(一张纸的厚度约10万nm),使其形成球形和立方体两种形状,并在一些粒子上引入一些化学缺陷,使原子结构略微发生改变,以观察其催化反应的方式是否受到影响。Meneau表示:“不同位置的原子发生变化,可以改变电子和化学性质,这一点众所周知。然而,以前我们只能研究催化阶段,无法观察单个粒子在反应过程中发生的变化。”

为了实现这一目标,该团队来到APS,利用其光束线34-ID-C,对这些粒子进行“原位”成像实验,即在样品发生反应(例如温度变化、压力增加)时,利用APS的 X射线光束实时拍照。在这种情况下,科学家们使用金纳米颗粒来氧化CO,并在反应发生时,捕捉到颗粒晶体结构的变化状态。

阿贡X射线科学部(XSD)的研究人员Wonsuk Cha表示,挑战在于开发能够兼容成像技术的实验室。“问题之一是样本尺寸过小。光束大小通常为500nm宽,我们已经对监测样品在光束中位置的技术进行了完善,以继续进行实验。”

这项实验中使用的技术名为相干X射线衍射成像(CDI)。在CDI实验中,X射线光束从样品中衍射出来,并将信息模式投射到探测器上,然后用计算机算法解释这些信息,并由此生成图像。XSD的物理学家Ross Harder表示:“我们可以看到用普通光线看不到的纳米级图像。全球能做这个实验的光源屈指可数。”

Meneau表示,由此可以看到,这些纳米颗粒经历催化反应的另外一幅场景。所出现的图像是颗粒的应变图,即测量样品受到压力时的形状变化,表明纳米颗粒中最易受到催化作用影响的部分。数据还显示,诱导化学变化可能影响应变,因此形状和大小相同的纳米颗粒经历的反应不同。通过改变催化剂,反应本身可能在化学水平上发生变化。

虽然该实验使用的样品已经看起来很小,但在工业应用中,典型的金催化剂尺寸仅为5nm厚。研究人员表示,下一步将缩小规模,使用越来越小的样本捕捉催化反应。APS正在为此进行大规模的项目升级,以将亮度和相干通量提高至现在的100到1000倍,改善衍射图像品质。LNLS的新光源天狼星(Sirius)也将进行升级,并计划于2021年上线。

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