Цель характеристики металлических катализаторов на носителе состоит в том, чтобы провести почастичный анализ состояния заряда, сильно коррелирующего с каталитической активностью.
Ученые из Японии подсчитали дополнительные или отсутствующие заряды в одной наночастице платины, диаметр которой едва ли составляет сотую часть диаметра типичных вирусов.
Под руководством Университет Кюсю и Hitachi Ltd., исследовательская группа добилась такого экстремального подсчета за счет аппаратных и программных усовершенствований, которые увеличили в десять раз чувствительность метода, называемого электронной голографией.
Электронная голография использует волнообразные характеристики электронов для изучения электрических и магнитных полей, в отличие от просвечивающей электронной микроскопии, в которой электронный луч используется для анализа материалов вплоть до атомный уровень.
Когда электрон взаимодействует с полями, его волна претерпевает фазовый сдвиг, который можно увидеть, сравнивая ее с эталонной волной незатронутого электрона.
Ученые в этом новом исследовании сфокусировали свои микроскопы на отдельных наночастицах платины на поверхности оксида титана. В среднем наночастицы платины имели диаметр всего 10 нм — настолько малы, что для охвата одного миллиметра потребовалось бы почти 100 000 частиц.
Рётаро Асо, доцент инженерного факультета Университета Кюсю и первый автор статьи в журнале Science, сказал: «Хотя каждая частица содержит несколько десятков тысяч атомов платинадобавление или удаление всего одного или двух отрицательно заряженных электронов вызывает значительные изменения в поведении материалов как катализаторов».
Измеряя поля вокруг наночастицы платины, которые варьируются в зависимости от дисбаланса положительных и отрицательных зарядов в частице, в среде, свободной от воздуха, исследователи могли определить количество дополнительных или отсутствующих электронов, создающих поля.
Асо сказал, «Среди миллионов положительно заряженных протоны и отрицательно заряженные электроны, уравновешивающие друг друга в наночастице, мы могли бы успешно определить, отличается ли число протонов и электронов хотя бы на единицу».
«Хотя поля слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать с помощью обычных методов, исследователи повысили чувствительность, применив передовой голографический микроскоп с атомарным разрешением 1,2 МВ, разработанный и управляемый Hitachi, который уменьшает механические и электрические шумы, обрабатывая данные для разделения сигнал от шума дальше, и, наконец, используя результаты, чтобы подтвердить свои выводы.
В методе обработки сигналов, созданном Ёсихиро Мидохом из Осакского университета, одним из соавторов статьи, использовалась так называемая вейвлетная скрытая марковская модель (WHMM) для уменьшения шума без удаления чрезвычайно слабых представляющих интерес сигналов.
Ученые смогли определить состояние заряда каждой наночастицы и связать изменения количества электронов, которые варьировались от одного до шести, с изменениями в кристаллической структуре наночастиц.
Ясукадзу Мураками, профессор инженерного факультета Университета Кюсю и руководитель команды Кюсю-Ю, сказал, «Сочетая прорывы в оборудовании для микроскопии и обработке сигналов, мы можем изучать явления на все более мелких уровнях».
«В этой первой демонстрации мы измерили заряд одной наночастицы в вакууме. В будущем мы надеемся преодолеть проблемы, которые мешают нам проводить те же измерения в присутствии газа, чтобы получать информацию в средах, более близких к реальным приложениям».
Ссылка на журнал:
- Риотоаро Асо и др. Прямая идентификация зарядового состояния одиночной наночастицы платины на оксиде титана. Наука. DOI: 10.1126/наука.abq5868
