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新能源汽车讯 据外媒报道，德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、瑞士保罗谢尔研究所(PSI)的瑞士光源（SLS）和法国的欧洲同步辐射光源（ESRF）的研究人员合作开发了一种新诊断工具，以了解催化剂活动时的结构和功能。Operando X射线光谱将以三维方式使复杂技术催化剂的结构和梯度可视化，方便了解运行中的化学反应器。
(图片来源：phys.org)
催化剂可用于加速化学反应，以减少能耗和不良副产物，通常必须具有高耐压性和机械强度，同时还要在动态环境下运行。为了改善现有的催化材料和工艺，需要确切了解其功能。KIT化学技术和高分子化学研究所（ITCP）的Thomas Sheppard博士表示：“无论是在大型化学反应器、电池还是在汽车中，催化剂通常具有高度复杂的结构。要真正了解这些材料是如何工作的，我们需要在催化剂工作时观察反应器内部，比较理想的是使用分析工具来检测活性催化剂复杂的3D结构。”
Operando X射线光谱可提供3D图像和主要化学信息
本项研究重点关注汽车催化转化器，由Thomas Sheppard博士负责领导。在研究过程中，该团队利用新开发的装置，并通过瑞士和法国的同步辐射设施进行断层成像实验。通过计算机断层扫描，可以产生3D图像样本（包括外部和内部），而不需要将其切开。研究人员使用一种特殊反应器，进行断层扫描和X射线光谱分析，以跟踪活性催化过程。
通过这种方式，在与真实汽车尾气一样的条件下，研究人员成功观察到排放控制催化剂的3D结构。这种Operando X射线光谱分析不仅可以提供样品的3D结构，还提供重要的化学信息。
该方法适用于多种催化剂
该研究的主要作者之一、ITCP的Johannes Becher表示：“催化剂的结构通常很复杂且不均匀，因此了解它是整体或部分执行其化学功能，具有重要意义。通过Operando X射线光谱分析，我们可以看到其中的具体结构和功能，从而判断催化剂是否以最高效率运行。更重要的是，它可以帮助我们了解潜在过程。”
在反应过程中，该团队观察到催化剂内活性铜物质的结构梯度。以前使用传统分析工具，无法做到这一点。这是考量排放控制催化剂性能的重要诊断信息。这种方法可以应用于许多不同的催化剂和化学过程。
为材料和反应诊断提供新机遇
该团队的研究表明，对活性催化剂的化学状态进行3D可视化检测，可以为材料和反应诊断带来新机会。ITCP的Jan-Dierk Grunwaldt教授表示：“以往我们不可能在不干扰催化剂的情况下，自由选择任一部分正在工作的催化剂并了解其中发生的反应。现在我们可以准确地追踪哪些反应正在发生，在哪里发生，以及为什么发生。对于提高我们对化学过程的理解，并设计更好、更高效催化剂，这具有关键意义。”
只要有合适的样品环境，可在不同的同步辐射光源上，使用Operando X射线光谱进行分析研究。研究团队将继续进行研究，以了解和改进排放控制催化剂的设计和效率。
