Bättre katalysatorer och renare miljö kan uppnås genom minimala atomförflyttningar

Genom att studera material ända ner på atomär nivå har chalmersforskare hittat ett sätt att göra katalysatorer mer effektiva och miljövänliga. Resultaten har publicerats i den ansedda tidskriften Nature Communications. Metoderna kan användas för att förbättra många olika typer av katalysatorer.

Katalysatorer används för att underlätta kemiska reaktioner. Även om de flesta tänker på avgasrening, används katalysatorer inom en rad områden i samhället. Det har uppskattats att mer än 90 procent av alla kemikalier och bränslen tillverkas med katalysatorer. Oavsett i vilket sammanhang de används, bygger katalys på komplexa atomära processer. I den nya studien från Chalmers har fysikforskarna kopplat ett dubbelgrepp för att lägga en ny bit i katalyspusslet. De har använt både avancerad, högupplöst elektronmikroskopi och en ny typ av datorsimuleringar.

– Det är fantastiskt att vi har lyckats tänja på gränserna och kunnat uppnå en sådan precision med elektronmikroskopi. Vi kan se exakt var och hur atomerna sitter i en struktur. Genom att ha pikometer-precision, det vill säga en precision som är en hundradel av en atom, kan vi på sikt förbättra materialegenskaperna och därmed den katalytiska prestandan, säger Torben Nilsson Pingel, forskare på institutionen för fysik på Chalmers och en av författarna till den vetenskapliga artikeln.

Genom sitt arbete har han och kollegorna lyckats visa att pikometersmå förändringar av atom-avstånden i metalliska nanopartiklar påverkar den katalytiska aktiviteten. Det är nanopartiklar av platina som forskarna har haft under luppen. Experimenten har gjorts med hjälp av sofistikerade elektronmikroskop i Chalmers materialanalyslaboratorium och resultaten kan nu användas på bred front. Genom metodutveckling av Andrew Yankovich har forskarna kunnat förbättra precisionen, och kan nu till och med nå ner till subpikometer-precision.

– Våra metoder är inte bundna till något särskilt material, utan bygger på generella principer som går att applicera på olika katalytiska system. När vi kan designa materialen bättre kan vi få både mer energieffektiva katalysatorer och en renare miljö, säger Eva Olsson, professor på institutionen för fysik på Chalmers.

Arbetet har utförts inom ramen för Kompetenscentrum katalys på Chalmers. För att kunna studera hur små förändringar av atomavstånd verkligen påverkar katalysprocessen har Mikkel Jørgensen och Henrik Grönbeck gjort avancerade datorsimuleringar på det nationella datacentrum som finns på Chalmers. Med hjälp av informationen från mikroskopen har det varit möjligt att se exakt hur den katalytiska processen påverkas av små ändringar i atomavstånd.

– Vi har utvecklat en ny metod för att göra simuleringar för katalytiska processer på nanopartiklar. Eftersom vi har kunnat använda verkliga värden i vår beräkningsmodell kan vi se hur reaktionen kan optimeras. Katalys är ett betydelsefullt teknikområde, så varje förbättring är ett viktigt framsteg – både ekonomiskt och miljömässigt, säger Henrik Grönbeck, professor på institutionen för fysik på Chalmers.

Mer om: forskningen
Artikeln Influence of atomic site-specific strain on catalytic activity of supported nanoparticles har publicerats i Nature Communications och är skriven av Torben Nilsson Pingel, Mikkel Jørgensen, Andrew B. Yankovich, Henrik Grönbeck och Eva Olsson på institutionen för fysik och Kompetenscentrum katalys på Chalmers.

En mer populärvetenskaplig artikel har även publicerats av forskarna i tidskriften Nanowerk.

Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet och European Network for Electron Microscopy.

Mer om: forskningsinfrastrukturen på Chalmers

På Chalmers materialanalyslaboratorium (CMAL) finns avancerade instrument för materialforskning. Laboratoriet ligger formellt under institutionen för fysik men är öppet för alla forskare från universitet, institut och industri. Experimenten i den här studien har gjorts med hjälp av avancerade och högupplösta elektronmikroskop – i det här fallet så kallade transmissionselektronmikroskop (TEM). Stora investeringar har nyligen gjorts för att laboratoriet ska ligga i framkant när det gäller materialforskning. Totalt handlar det om utrustning för 66 miljoner kronor, varav forskningsfinansiären Knut och Alice Wallenbergs stiftelse har bidragit med hälften.

Datorsimuleringarna har utförts på Chalmers Centre for Computational Scientific and Engineering - C3SE, som är ett centrum för vetenskapliga och tekniska beräkningar vid Chalmers. C3SE är ett av sex centrum i det nationella metacentrumet Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC).

Mer om: elektronmikroskopi
Elektronmikroskopi är ett samlingsnamn för olika typer av mikroskopi där man använder elektroner i stället för elektromagnetisk strålning för att få fram bilder av mycket små objekt. Med hjälp av denna teknik kan man komma förbi det synliga ljusets upplösningsgräns, vilket gör det möjligt att studera enskilda atomer. Det finns olika typer av elektronmikroskop, till exempel transmissionselektronmikroskop (TEM), sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM), svepelektronmikroskop (SEM) och kombinerat fokuserat jonstråle och SEM (FIB-SEM).

För mer information, kontakta:

• Eva Olsson, professor, institutionen för fysik, Chalmers, 031-772 32 47, eva.olsson@chalmers.se
• Henrik Grönbeck, professor, institutionen för fysik, Chalmers, 031-772 29 63, henrik.gronbeck@chalmers.se