Studies of Molecular Interactions with Single Nanoparticles: Combining in Situ Plasmonic Nanospectroscopy with Transmission Electron Microscopy
Doktorsavhandling, 2021

The cyclic methanol and hydrogen economies are two viable options in the strive for clean energy production. Industrial methanol synthesis is conducted over copper (Cu)-based catalysts. However, Cu is prone to oxidation, which leads to Cu catalyst deactivation. This highlights the need to probe catalyst performance and deactivation during relevant conditions, and why methods for operando catalyst monitoring are sought after. Moreover, individual catalyst particle-specific characteristics, such as grain boundaries, are likely to affect deactivation. Secondly, in view of the expanding hydrogen economy, efficient and reliable hydrogen sensors are required. To this end, the slowing response rate of palladium (Pd)-based hydrogen sensors over extended hydrogen sorption cycling is problematic.

To enable studies of single particle-specific performance deterioration routes, I have in this thesis developed a correlative plasmonic nanospectroscopy and transmission electron microscopy approach for in situ studies of interactions between individual nanoparticles and molecules in the gas phase. As my main focus, I have applied the method to shed light on Cu nanoparticle oxidation, both in pure O2 and under CO oxidation reaction conditions. As a main result, I identified a distinct dependence of Cu oxidation on single particle-specific structural characteristics, such as grain boundaries. Furthermore, with in situ TEM imaging temperature-dependent competing oxidation mechanisms were observed and their corresponding single particle plasmonic signatures were mapped by electron energy-loss spectroscopy.

As a second example, in hydrogen sorption cycling of polycrystalline Pd nanoparticles grain-growth was observed that slowed down sorption kinetics, whereby an explanation for the deterioration of Pd-based hydrogen sensors was identified.

palladium hydride

oxidation

grain boundary

transmission electron microscopy

dark-field scattering spectroscopy

heterogeneous catalysis

single nanoparticle

plasmonic nanospectroscopy

localized surface plasmon resonance sensing

Online on Zoom, Contact Christopher Tiburski for password tiburski@chalmers.se
Opponent: Sarah Haigh, The University of Manchester

Författare

Sara Nilsson

Chalmers, Fysik, Kemisk fysik

S. Nilsson, M. R. Nielsen J. Fritzsche, C. Langhammer and S. Kadkhodazadeh, Unravelling Competing Oxidation Mechanisms in Single Cu Nanoparticles

S. Nilsson, A. Posada-Borbón, A. Bastos da Silva Fanta, D. Albinsson, J. Fritzsche, H. Grönbeck and C. Langhammer, Exploring the Role of High-Angle Grain Boundaries in the Oxidation of Single Copper Nanoparticles

S. Nilsson, D. Albinsson, J. Fritzsche and C. Langhammer, The Role of Grain Boundary Sites for the Oxidation of Single Copper Nanoparticles during the CO Oxidation Reaction

S. Alekseeva, M. Strach, S. Nilsson, J. Fritzsche, V. P. Zhdanov and C. Langhammer, Grain-Growth Mediated Hydrogen Sorption Kinetics and Compensation Effect in Single Pd Nanoparticles

En intressant lösning för hållbar energilagring är att framställa metanol som drivmedel, vilket kan ske genom en kemisk reaktion mellan infångad koldioxid och vätgas med hjälp av en katalysator. Katalysatorer används för att möjliggöra eller snabba på kemiska reaktioner för att framställa en mängd olika produkter, material och bränslen. Det är viktigt att katalysatorer används på ett effektivt sätt, bland annat för att de aktiva materialen ofta är sällsynta ädelmetaller. Utöver framställning av metanol, kan energin som finns lagrad i vätgasen frigöras direkt i bränsleceller, vilket endast ger vatten som restprodukt. Vätgasen kan också framställas på ett hållbart sätt från vatten med hjälp av katalys.

Jag har i min avhandling utvecklat en metod för att undersöka katalytiska nanopartiklar av metall som är 10 000 gånger mindre än tvärsnittet av ett hårstrå. Dessa metallpartiklar utgör det aktiva materialet i katalysatorer men partiklarna kan inaktiveras, så att de inte längre deltar i reaktionen, t.ex. på grund av oxidering. För att reaktionen ska ske effektivt krävs kartläggning av vilka egenskaper hos partiklarna som gör att de inaktiveras. Jag har för kopparpartiklar påvisat att partikelns struktur har en inverkan på hur fort inaktivering genom oxideringen sker. Det fina med min metod är att jag studerar partiklarna en och en, och kan då se exakt vad de har för struktur och på så sätt se bortom ett medelvärde över en större grupp partiklar. Därmed är det möjligt att urskilja hur små skillnader partiklarna emellan kan ge ett stort utslag för deras katalytiska funktion.

Ämneskategorier

Fysik

ISBN

978-91-7905-489-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4956

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online on Zoom, Contact Christopher Tiburski for password tiburski@chalmers.se

Online

Opponent: Sarah Haigh, The University of Manchester

Mer information

Senast uppdaterat

2021-04-30