2021年6月10日消息,PSI 研究人员开发了一种新的断层扫描方法,他们可以用这种方法以 3D 方式非常精确和快速地测量催化剂材料内部的化学性质。该方法具有科学和工业应用。研究人员今天在《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。


PSI 开发了一种新的断层扫描方法,助力研究纳米级催化剂材料的老化过程

PSI 的研究员 Zirui Gao 开发了一种用于实验研究的新算法,该算法显着缩短了某些成像测量的持续时间。研究人员用它来研究一种常用的纳米级催化剂材料的老化过程。图片来源:Paul Scherrer Institute/Markus Fischer


钒磷氧化物 (VPO) 材料组在化学工业中广泛用作催化剂。自 1970 年代以来,VPO 已用于生产马来酸酐。反过来,马来酸酐是生产各种塑料的原材料,越来越多地包括可生物降解的塑料。在工业中,催化材料通常使用数年,因为它们在化学反应中发挥重要作用,但在过程中不被消耗。然而,由于这种使用,VPO 催化剂随时间变化。


在协作努力中,来自 Paul Scherrer 研究所 PSI 两个研究部门——光子科学部门和能源与环境部门——的科学家与苏黎世联邦理工学院和瑞士公司科莱恩公司的研究人员一起,现在详细调查了VPO 催化剂。在他们的研究过程中,他们还开发了一种新的实验方法。


科莱恩股份公司是世界领先的特种化学品公司之一。科莱恩向 PSI 提供了两个样品:一个是以前未使用过的 VPO 催化剂的样品;第二,工业运行四年的VPO催化剂样品。人们早就知道 VPO 会随着多年的使用而发生变化,并且表现出所需性能的轻微损失。然而,直到现在,还不清楚纳米结构和原子尺度中的哪些过程是导致观察到的性能下降的原因。

PSI 开发了一种新的断层扫描方法,助力研究纳米级催化剂材料的老化过程

PSI 研究人员使用最先进的材料表征技术研究了这个问题。为了使样品的化学结构在纳米尺度上可见,他们结合了两种方法:第一种是 PSI 之前开发的一种特定的断层扫描方法,称为 ptychographic X 射线计算机断层扫描,它使用来自瑞士光源 SLS 的 X 射线,并且可以以 3D 和纳米分辨率对样品内部进行非破坏性成像。其次,研究人员添加了一种局部透射光谱方法,该方法另外揭示了断层图的每个体积元素中材料的化学性质。


PSI 的研究员、研究作者之一约翰内斯·伊利解释说:“基本上,我们收集了四维数据,我们重建了我们样本的高分辨率 3D 表示,其中单个体积元素(称为体素)的边缘长度仅为 26 纳米。此外,我们对这些体素中的每一个都有定量的 X 射线透射光谱,对其中的分析告诉我们当地的化学成分。”


这些光谱使科学家们能够为每个体素确定一些最基本的化学量。这些包括电子密度、钒浓度和钒的氧化程度。由于所检测的 VPO 催化剂是所谓的非均相材料,因此这些数量在其整个体积中以不同的尺度变化。这反过来又定义或限制了材料的功能性能。


获取此数据的分步过程是测量 2D 投影图像的样本,然后将其稍微旋转一点,再次测量,依此类推。然后在各种其他能量下重复这个过程。使用以前的方法,大约需要五万张单独的 2D 图像,并且这些图像将被组合成大约一百张断层图像。对于两个样本中的每一个,这意味着大约一周的纯测量时间。


SLS 的实验站需求量很大,全年都被预订了,因此,我们无法承担需要这么长时间的测量,数据收集必须变得更有效率。


该研究的主要作者 Zirui Gao 以新的数据采集原理和相关的重建算法的形式实现了这一点。对于断层图像的 3D 重建,您需要来自多个角度的图像,但我们的新算法即使将角度之间的距离增加大约十倍——也就是说,如果你只拍摄大约十分之一的 2D 图像,也能设法提取所需的信息量。 通过这种方式,研究人员仅在大约两天的测量中就成功地获得了所需的数据,从而节省了大量时间和成本。


更大的孔隙和缺失的原子


正如预期的那样,新鲜的 VPO 有许多均匀分布在材料中的小孔。这些孔很重要,因为它们提供了可以发生催化作用的表面。相比之下,已经使用了四年的 VPO 样品的结构发生了纳米级的变化。有更大和更少的空腔。它们之间的材料显示出更大的、拉长的晶体形状。


在分子水平上也发现了变化:随着时间的推移,原子晶格中出现了空隙,也称为空穴。他们的存在以前只是被怀疑过。借助获得的纳米级化学信息,研究人员现在能够证实这一假设,并准确显示空隙的位置:现在缺失的特定钒原子的位置。钒的相对含量随着时间的推移而减少这一事实已经为人所知,但我们现在第一次能够显示这些原子在晶格中的哪个点丢失了。与我们的其他发现一起,这证实了之前的假设,即原子晶格中的这些孔可以作为额外的活性位点催化过程。


这也意味着这些缺陷的增加是一个受欢迎的效果:它们增强了催化活性,因此至少部分抵消了由于孔数量减少而导致的活性损失。新的、详细的结果可以帮助工业公司优化他们的催化剂并使其更耐用。



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