Wissenschaftler enthüllen die Nettoladung in einem einzelnen Platin-Nanopartikel

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Wissenschaftler enthüllen die Nettoladung in einem einzelnen Platin-Nanopartikel

Die Forschung liefert auch grundlegende Informationen für die Entwicklung zukünftiger Katalysatoren.

Eine Verzehnfachung der Elektronenholographie-Empfindlichkeit legt die Nettoladung in einem einzelnen Platin-Nanopartikel mit einer Genauigkeit von nur einem Elektron offen.

Wenn Sie nach dem Wäschewaschen oft um eins sitzen und Ihre Socken zählen, möchten Sie vielleicht Platz nehmen.

Forscher aus Japan haben nun die zusätzlichen oder fehlenden Ladungen in einem einzelnen Platin-Nanopartikel gezählt, dessen Durchmesser nur ein Zehntel des Durchmessers gewöhnlicher Viren beträgt.

Diese neue Methode zur sorgfältigen Untersuchung von Änderungen der Nettoladung auf Metallnanopartikeln wird zum weiteren Verständnis und zur Entwicklung von Katalysatoren zur Umwandlung von Treibhausgasen und anderen gefährlichen Gasen in Kraftstoffe und harmlose Gase oder zur effektiven Herstellung von Ammoniak beitragen, das für landwirtschaftliche Düngemittel benötigt wird.

Ein einzelnes Platin-Nanopartikel, beobachtet durch Elektronenholographie

Elektronenholographie-Messungen mit ultrahoher Empfindlichkeit und Präzision um ein Platin-Nanopartikel wie das hier gezeigte haben es Wissenschaftlern erstmals ermöglicht, die Nettoladung in einem einzelnen Katalysator-Nanopartikel mit einer Genauigkeit von nur einem Elektron zu zählen. Bildnachweis: Murakami Lab, Universität Kyushu

Das Studienteam unter der Leitung von Kyushu-Universität und Hitachi Ltd., vollbrachten diese außergewöhnliche Zählleistung, indem sie Hardware und Software verbesserten, um die Empfindlichkeit einer als Elektronenholographie bekannten Technik zu verzehnfachen.

Während die Transmissionselektronenmikroskopie einen Elektronenstrahl verwendet, um Materialien auf atomarer Ebene zu beobachten, untersucht die Elektronenholographie elektrische und magnetische Felder, indem sie die wellenartigen Eigenschaften von Elektronen nutzt. Wenn ein Elektron mit einem Feld interagiert, erzeugt es eine Phasenverschiebung in seiner Welle, die durch Vergleich mit einer Referenzwelle eines unbeeinflussten Elektrons identifiziert werden kann.

In der neuen Arbeit richteten die Forscher ihre Mikroskope auf einzelne Nanopartikel aus Platin auf einer Oberfläche aus Titanoxid, einer Materialkombination, von der bereits bekannt ist, dass sie als Katalysator wirkt und chemische Reaktionen beschleunigt.

Holografisches Mikroskop mit 1,2 MV Atomauflösung

Seit 1966 entwickelt Hitachi das Holographie-Elektronenmikroskop als Instrument zur direkten Beobachtung elektrischer und magnetischer Felder in extrem kleinen Regionen und entwickelte 2014 mit einem Stipendium im Rahmen des Förderprogramms ein Holographie-Elektronenmikroskop mit atomarer Auflösung von 1,2 MV for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (das „FIRST-Programm“), ein nationales Projekt, das von der japanischen Regierung gefördert wird. Bildnachweis: Hitachi, Ltd.

Im Durchschnitt hatten die Platin-Nanopartikel Durchmesser von nur 10 nm – so klein, dass fast 100.000 benötigt würden, um einen Millimeter zu überspannen.

„Während jedes Partikel einige zehntausend Platinatome enthält, bewirkt das Hinzufügen oder Entfernen von nur einem oder zwei negativ geladenen Elektronen erhebliche Veränderungen im Verhalten der Materialien als Katalysatoren“, sagt Ryotaro Aso, außerordentlicher Professor an der Fakultät der Kyushu-Universität of Engineering und Erstautor des Artikels in der Zeitschrift Wissenschaft über die Arbeit berichten.

Durch Messen der Felder direkt um ein Platin-Nanopartikel – die je nach Ungleichgewicht positiver und negativer Ladungen im Partikel variieren – in einer luftfreien Umgebung konnten die Forscher die Anzahl der zusätzlichen oder fehlenden Elektronen bestimmen, die die Felder erzeugen.

„Unter den Millionen von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen, die sich im Nanopartikel gegenseitig ausgleichen, konnten wir erfolgreich feststellen, ob sich die Anzahl der Protonen und Elektronen nur um eins unterscheidet“, erklärt Aso.

Ladungszählung pro Katalysator-Nanopartikel durch Elektronenholographie

Diese neue Studie unterstreicht die Bedeutung des direkten Zählens elektrischer Ladungen in einem Katalysator-Nanopartikel. Bei einem Platin-Nanopartikel auf einer Oberfläche aus Titanoxid beispielsweise zeigte die Visualisierung der Potentialverteilung durch das entwickelte Rauschunterdrückungsverfahren in der Elektronenholographie eine negative Aufladung des Nanopartikels mit nur sechs zusätzlichen Elektronen. Dies ist das erste Mal, dass Ladungen pro Katalysator-Nanopartikel mit einer Genauigkeit von einer Elektronenladung gezählt wurden. Bildnachweis: Murakami Lab, Universität Kyushu

Obwohl die Felder zu schwach sind, um sie mit früheren Methoden zu beobachten, verbesserten die Forscher die Empfindlichkeit, indem sie ein hochmodernes 1,2-MV-Holographiemikroskop mit atomarer Auflösung verwendeten, das von Hitachi entwickelt und betrieben wurde und das mechanische und elektrische Rauschen reduzierte, und dann die Daten verarbeiteten um das Signal weiter aus dem Rauschen herauszukitzeln.

Entwickelt von der Universität Osaka Yoshihiro Midoh, einer der Co-Autoren der Veröffentlichung, verwendete die Signalverarbeitungstechnik, das sogenannte Wavelet Hidden Markov Model (WHMM), um das Rauschen zu reduzieren, ohne auch die extrem schwachen interessierenden Signale zu entfernen.

Neben der Identifizierung des Ladungszustands einzelner Nanopartikel konnten die Forscher Unterschiede in der Anzahl der Elektronen, die von eins bis sechs reichten, mit Unterschieden in der Kristallstruktur der Nanopartikel in Verbindung bringen.

Während die Anzahl der Elektronen pro Fläche zuvor durch Mittelung über eine großflächige Messung vieler Teilchen berichtet wurde, ist dies das erste Mal, dass Wissenschaftler eine einzelne Elektronendifferenz in einem einzelnen Teilchen messen konnten.

„Durch die Kombination von Durchbrüchen in der Mikroskopie-Hardware und der Signalverarbeitung sind wir in der Lage, Phänomene auf immer kleineren Ebenen zu untersuchen“, kommentiert Yasukazu Murakami, Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Kyushu und Leiter des Kyushu-U-Teams.

„In dieser ersten Demonstration haben wir die Ladung auf einem einzelnen Nanopartikel im Vakuum gemessen. In Zukunft hoffen wir, die Herausforderungen zu überwinden, die uns derzeit daran hindern, die gleichen Messungen in Gegenwart eines Gases durchzuführen, um Informationen in Umgebungen zu erhalten, die näher an tatsächlichen Anwendungen liegen.“

Referenz: „Direkte Identifizierung des Ladungszustands in einem einzelnen Platinnanopartikel auf Titanoxid“ von Ryotaro Aso, Hajime Hojo, Yoshio Takahashi, Tetsuya Akashi, Yoshihiro Midoh, Fumiaki Ichihashi, Hiroshi Nakajima, Takehiro Tamaoka, Kunio Yubuta, Hiroshi Nakanishi, Hisahiro Einaga, Toshiaki Tanigaki, Hiroyuki Shinada und Yasukazu Murakami, 13. Oktober 2022, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abq5868

Die Studie wurde von der Japan Science and Technology Agency, der Japan Society for the Promotion of Science, JST CREST und JSPS KAKENHI finanziert.