为了了解催化剂的结构和功能，卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员与来自瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)的瑞士光源SLS和法国欧洲同步辐射设施(ESRF)的同事合作，开发了一种新的诊断工具。Operando x射线光谱在三维可视化复杂技术催化剂的结构和梯度，从而使我们可以看到运作的化学反应器。研究结果发表在《自然催化》杂志上。(DOI: 10.1038 / s41929 - 020 - 00552 - 3)

 

催化是许多分支所不可缺少的。95%的化学品都是用催化剂生产的。催化剂在能源技术和环境保护方面也发挥着关键作用。催化剂是用来加速化学反应以减少能源消耗和不需要的副产品的材料。这一化学-物理原理是整个系统的基础，例如汽车的催化转换器或发电厂的催化剂，以去除废气中的污染物。技术和工业催化剂也应用于化肥和聚合物生产。通常，杏耀它们必须表现出高的抗压性和机械强度，同时还必须在动态环境条件下工作。从废气中去除污染物(如一氧化碳、氮氧化物和细尘)或生产绿色氢，即使最小的效率提高，也会给人类和环境带来重大好处。然而，要改进现有的催化材料和工艺，就需要准确了解它们的功能。来自KIT的化学技术和聚合物化学研究所(ITCP)的Thomas Sheppard博士说:“无论是在大型化学反应器、电池还是汽车底盘上，技术和工业催化剂通常具有高度复杂的结构。”“为了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堆内部，最好使用分析工具来检测活性催化剂的复杂3D结构。”

 

托马斯·谢泼德(Thomas Sheppard)指导了一项关于汽车催化转换器的研究，试剂盒、PSI和ESRF的研究人员目前在《自然催化》(Nature Catalysis)杂志上发表了研究结果。在他们的研究中，研究小组使用了一种新开发的装置，并在瑞士和法国的同步加速器辐射设施中进行了断层摄影实验。计算机断层扫描可以生成样品的3D图像，包括外部和内部，而不需要切开它。通过使用一个特殊的反应器，研究人员进行了形貌图和x射线光谱学来跟踪一个活跃的催化过程。通过这种方式，他们成功地观察到了排放控制催化剂的三维结构， 杏耀总代理q3451-8577谈天 ，其条件就像汽车尾气一样。这种所谓的operando x射线光谱拷贝不仅提供了样品的3D结构，而且还提供了重要的化学信息。

 

该研究的主要作者之一、ITCP的Johannes Becher解释说:“由于催化剂通常具有相当复杂和不均匀的结构，了解催化剂的整个体积或仅部分体积是否按照预期发挥其化学功能是很重要的。”“Operando x射线光谱学让我们看到每一块特定的结构和功能。这可以告诉我们催化剂是否达到了最高效率，更重要的是，它可以帮助我们理解潜在的过程。”在反应过程中，研究小组观察到催化剂内活性铜物种的结构梯度，这是以前用常规分析工具无法检测到的。这是排放控制催化剂性能的重要诊断信息。该方法本身可以应用于许多不同的催化剂和化学过程。

 

该团队的研究表明，在3D中可视化活性催化剂的化学状态可以为材料和反应诊断带来新的机遇。“直到现在，在不干扰催化剂的情况下，不可能自由选择任何一种有效的催化剂，并了解其中发生的反应。现在，我们可以精确地跟踪哪些反应正在发生，在哪里发生，为什么发生，”ITCP的Jan-Dierk Grunwaldt教授说。“这是提高我们对化学过程的理解，杏耀平台以及在未来设计出更好、更高效催化剂的关键。”利用operando x射线光谱学可以在不同的同步辐射源上进行研究，前提是存在合适的样品环境。Jan-Dierk Grunwaldt和Thomas Sheppard的团队将继续他们的研究，作为基特新成立的合作研究中心“TrackAct”的一部分。“TrackAct”旨在了解和改进排放控制催化剂的设计和效率。