Operando Single Particle Catalysis - Combining a Nanoreactor and Plasmonic Nanospectroscopy
Doctoral thesis, 2020
In this thesis, I have performed in situ studies of chemical reactions in/on nanoparticles by utilizing plasmonic nanospectroscopy based on the localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon. The resonance condition for LSPR depends on both nanoparticle properties (size, shape, material) and the surrounding medium, which makes it possible to determine the physical and chemical state of individual nanoparticles optically. The LSPR response was used to study the oxidation of Cu nanoparticles, revealing the complex nature of nanoparticle oxidation kinetics, as well as particle specific oxidation mechanisms. Furthermore, a nanoreactor platform was developed and used in combination with plasmonic nanospectroscopy to perform operando characterization of individual Cu and Pt catalyst nanoparticles during CO oxidation. The obtained results illustrate how the oxidation of Cu results in catalyst deactivation and how reactant gradients formed inside the catalyst bed strongly affects the state of the catalyst, and thus its activity. Moreover, the nanoreactor enabled operando characterization of catalyst beds comprising 1000 well defined nanoparticles that could be individually addressed.
nanofluidics
single particle catalysis
Cu oxidation
CO oxidation
dark field scattering spectroscopy
LSPR
microreactor
nanoreactor
heterogeneous catalysis
plasmonic sensing
Author
David Albinsson
Chalmers, Physics, Chemical Physics
Single Particle Nanoplasmonic Sensing in Individual Nanofluidic Channels
Nano Letters,;Vol. 16(2016)p. 7857-7864
Journal article
Heterodimers for in Situ Plasmonic Spectroscopy: Cu Nanoparticle Oxidation Kinetics, Kirkendall Effect, and Compensation in the Arrhenius Parameters
Journal of Physical Chemistry C,;Vol. 123(2019)p. 6284-6293
Journal article
Resolving single Cu nanoparticle oxidation and Kirkendall void formation with in situ plasmonic nanospectroscopy and electrodynamic simulations
Nanoscale,;Vol. 11(2019)p. 20725-20733
Journal article
Operando detection of single nanoparticle activity dynamics inside a model pore catalyst material
Science advances,;Vol. 6(2020)
Journal article
Copper catalysis at operando conditions - bridging the gap between single nanoparticle probing and catalyst-bed-averaging
Nature Communications,;Vol. 11(2020)
Journal article
In Situ Plasmonic Nanospectroscopy of the CO Oxidation Reaction over Single Pt Nanoparticles
ACS Nano,;Vol. 13(2019)p. 6090-6100
Journal article
Shedding light on CO oxidation surface chemistry on single Pt catalyst nanoparticles inside a nanofluidic model pore
ACS Catalysis,;Vol. 11(2021)p. 2021-2033
Journal article
En katalysator är för många känt som den delen av bilen som ansvarar för att rena avgaserna från giftiga ämnen. Utöver avgasrening så används katalysatorer för att öka verkningsgraden i nästan alla kemiska processer och det uppskattas att de är involverade i 90% av alla produkter som produceras av kemiindustrin. En liten förbättring av katalysatorers effektivitet kan därför ha enorm betydelse för samhället.
Katalysatorers roll är att snabba på kemiska reaktioner vilket de gör genom att låta reaktioner ske på ytan av nanopartiklar, ofta bestående av ädelmetaller. Dessa partiklar är i storleksordningen 1-10 nanometer, alltså 20 000 gånger mindre än diametern av ett hårstrå!
Trots att forskare i över 100 år försökt förstå exakt hur katalysatorer fungerar så kvarstår än idag vissa frågor. En bidragande faktor är att partiklarnas storlek gör det svårt att utföra mätningar på dem och istället för att mäta varje partikel var för sig så mäts stora grupper av partiklar. Detta är problematiskt eftersom varje enskild nanopartikel är unik och viktig information kan gå förlorad genom ett medelvärde.
I denna avhandling presenteras en ny experimentell utrustning, en nanoreaktor, för att undersöka individuella katalytiska nanopartiklar. Metoden förlitar sig på ett optiskt fenomen som ger nanopartiklar en distinkt färg. Genom att studera färgen på partiklar medans de arbetar som katalysatorer kan man dra slutsatser om vad som styr deras aktivitet. Våra experiment visar att varje partikel i en katalysator har en unik personlighet och i framtiden kan metoden underlätta identifieringen av vilka aspekter hos nanopartiklar som gör dem mest effektiva.
Single Nanoparticle Catalysis, SINCAT
European Commission (EC) (EC/H2020/678941), 2016-01-01 -- 2020-12-31.
Single Particle Catalysis in Nanoreactors (SPCN)
Knut and Alice Wallenberg Foundation (KAW2015.0057), 2016-01-01 -- 2020-12-31.
Areas of Advance
Nanoscience and Nanotechnology
Subject Categories
Physical Chemistry
Materials Chemistry
Nano Technology
Condensed Matter Physics
Infrastructure
Chalmers Materials Analysis Laboratory
Nanofabrication Laboratory
ISBN
978-91-7905-380-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4847
Publisher
Chalmers
FB-Salen, Fysikgården 4 or online (Please contact David Albinsson (aldavid@chalmers.se) and Christopher Tiburski (tiburski@chalmers.se) for password to the zoom conference)
Opponent: Prof. Jeroen van Bokhoven , Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zürich, Schweiz