Operando Single Particle Catalysis - Combining a Nanoreactor and Plasmonic Nanospectroscopy
Doktorsavhandling, 2020

Heterogeneous catalysis is an important cornerstone of modern society with strong ties to the development of sustainable sources of energy and products. Catalysts are typically realized as supported metal nanoparticles that offer active sites that can accelerate chemical reactions by providing energetically more favorable reaction paths. Despite their broad use, the scrutiny of catalysts under realistic application conditions, such as high pressure and temperature, is a major experimental challenge. This difficulty is further amplified by the complexity present in real catalysts, often consisting of large ensembles of nanoparticles that all are unique. Furthermore, reactors used in catalysis studies often give rise to ill-defined reaction conditions in terms of catalyst distribution, reactant concentration and temperature. To mitigate these challenges, techniques are being developed to enable studies of catalytic nanoparticles under relevant operation conditions, so-called operando techniques. In this context, down-sized chemical reactors can be utilized to achieve precise control of both the catalyst, and the operating conditions.

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.

microreactor

Cu oxidation

CO oxidation

dark field scattering spectroscopy

nanoreactor

nanofluidics

LSPR

single particle catalysis

heterogeneous catalysis

plasmonic sensing

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

Författare

David Albinsson

Chalmers, Fysik, Kemisk fysik

Single Particle Nanoplasmonic Sensing in Individual Nanofluidic Channels

Nano Letters,; Vol. 16(2016)p. 7857-7864

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Operando detection of single nanoparticle activity dynamics inside a model pore catalyst material

Science advances,; Vol. 6(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

In Situ Plasmonic Nanospectroscopy of the CO Oxidation Reaction over Single Pt Nanoparticles

ACS Nano,; Vol. 13(2019)p. 6090-6100

Artikel i vetenskaplig tidskrift

David Albinsson, Stephan Bartling, Sara Nilsson, Henrik Ström, Joachim Fritzsche and Christoph Langhammer - Unravelling CO Oxidation Surface Chemistry on Single Pt Catalyst Nanoparticles Inside a Nanofluidic Model Pore

De minsta byggstenarna i katalysatorer har också personligheter
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 Particle Catalysis in Nanoreactors (SPCN)

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, 2016-01-01 -- 2020-12-31.

Single Nanoparticle Catalysis, SINCAT

Europeiska kommissionen (EU), 2016-01-01 -- 2020-12-31.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (SO 2010-2017, EI 2018-)

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Materialkemi

Nanoteknik

Den kondenserade materiens fysik

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

Nanotekniklaboratoriet

ISBN

978-91-7905-380-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4847

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

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)

Online

Opponent: Prof. Jeroen van Bokhoven , Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zürich, Schweiz

Mer information

Senast uppdaterat

2020-10-19