Химики увидели поведение отдельной частицы катализатора

Канадские ученые смогли пронаблюдать процессы поверхностной «перестройки атомов» одиночной наночастицы катализатора – сплава железа и платины - при нагревании. Авторы считают, что их исследование, помимо фундаментальной составляющей, также поможет в создании экономичных катализаторов для реакции восстановления кислорода в топливных элементах. Работа опубликована в  журнале ChemCatChem.

Для визуализации наночастиц катализатора авторы использовали специальный детектор сканирующего просвечивающего электронного микроскопа - широкоугловой круговой детектор темного поля (high-angle annular dark-field, HAADF). Для формирования изображения в нем используются только электроны, отклоненные под большими углами от исходного электронного пучка – их интенсивность сильно зависит от атомного номера элементов, из которых состоит частица. Таким образом, можно узнать, как в ней распределены те или иные элементы.  Кроме того, расположение детектора позволяет использовать прошедший через образец пучок для того, чтобы извлечь дополнительную информацию.

HAADF-детектор позволяет различить разные элементы по контрасту изображения. Но однозначно установить, какие именно элементы присутствуют в наночастице, можно, анализируя энергетические потери неупруго рассеянных электронов прошедшего пучка. Такой метод называется спектроскопией характеристических потерь энергии электронами (electron energy loss spectroscopy, EELS). Сочетание же этих двух методов позволяет построить «карты» элементного распределения в отдельной наночастице с атомарным разрешением.

Авторы работы применили их для исследования процессов сегрегации – поверхностной «перестройки атомов» - наночастиц катализатора, представляющего собой сплав железа и платины. Оказалось, что при нагревании на поверхности частицы преимущественно сегрегируется железо, образуя при этом устойчивую оксидную оболочку. По словам ученых, такой результат является полной противоположностью предыдущим представлениям о том, что на поверхности должны были оказаться скорее атомы платины, поскольку они обладают большим радиусом и меньшей поверхностной энергией.

Современные методы визуализации позволяют не только «разглядеть» материал с атомарным разрешением, но и открывают все новые возможности для исследования различных процессов in situ. Так, развитие методов электронной томографии позволяет получать трехмерные изображения нанообъектов с атомарным разрешением. Модификация этого метода -  электронная 4D-томография – открывает возможности для исследования временных изменений наноструктур с фемтосекундным шагом. Оба вышеописанных способа визуализации используют методику HAADF.