研究人员捕捉金纳米颗粒催化图像 以减少汽车CO排放

据外媒报道，科学家们希望找到一种方法，通过用强大的X射线束检测微小的金颗粒，来减少机动车的有害一氧化碳排放。

根据美国环境保护局的数据，燃料动力汽车是大气中一氧化碳排放的最大来源。为了减少此类排放，有必要进一步了解排气系统中发生的化学反应。这种类型的反应通常使用金作为催化剂将CO转化为CO2。巴西同步加速器光学实验室（LNLS）的科学家Aline Passos和Florian Menu带领研究团队使用先进光子源（APS）中的超亮X射线，在催化类似于汽车尾气中发生的反应时照射微小的金颗粒。APS是位于美国能源部阿贡国家实验室的一个科学用户设施。帕索斯说：“如果我们能更好地理解这种催化作用，我们就可以对其进行优化，从而更好地设计和改善CO排放。”为了进行实验，帕索斯合成了直径约60纳米（一张纸的厚度约为10万纳米）的金纳米颗粒，将其制成球形和立方体，并在一些颗粒上引入了一些化学缺陷，使原子结构略有改变，观察催化反应是否受到影响。梅诺说：“众所周知，不同位置的原子会发生变化，从而改变电子和化学财产。然而，在过去，我们只能研究催化阶段，无法观察反应过程中单个粒子的变化。”为了实现这一目标，该团队来到APS，并使用其束线34-ID-C对这些粒子进行了“原位”成像实验。当样品发生反应（如温度变化或压力增加）时，使用APS的X射线束进行实时摄影。在这种情况下，科学家使用金纳米颗粒来氧化CO，并在反应过程中捕捉颗粒晶体结构的变化。阿贡X射线科学部（XSD）的研究员Wonsuk Cha表示，挑战在于开发与成像技术兼容的实验室。其中一个问题是样本量太小。光束尺寸通常为500nm宽，我们改进了监测样品在光束中位置的技术，以继续实验。这个实验中使用的技术被称为相干X射线衍射成像（CDI）。在CDI实验中，X射线束从样品中衍射，并将信息模式投射到探测器上，然后使用计算机算法对其进行解释以生成图像。XSD物理学家Ross Harder说：“我们可以看到普通光无法看到的纳米级图像。世界上只有少数光源可以进行这项实验。”Meneau说，这展示了这些纳米颗粒发生催化反应的另一个场景。所呈现的图像是颗粒的应变图，它测量了样品在压力下的形状变化，表明了纳米颗粒最容易受到催化作用的部分。数据还表明，诱导的化学变化可能会影响应变，因此具有相同形状和尺寸的纳米颗粒会发生不同的反应。通过改变催化剂，反应本身可能发生化学变化。尽管本实验中使用的样品看起来很小，但在工业应用中，典型的金催化剂尺寸只有5纳米厚。研究人员表示，下一步将缩小规模，使用越来越小的样本捕获催化反应。APS正在进行大规模项目升级，以将亮度和相干通量提高到当前水平的100至1000倍，从而提高衍射图像质量。LNLS的新光源天狼星也将升级，计划于2021发射。

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