研究人员捕捉金纳米颗粒催化图像 以减少汽车CO排放

盖世汽车讯 据外媒报道，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。