วิศวกรรมขนาดนาโนเพิ่มความมั่นคงของสารบรรตุ Ceriazirconia

เมื่อออกไซด์ของซีเรียม (CeO2) และออกไซด์ของเซอร์โคเนียม (ZrO2) ถูกลดขนาดลงจนถึงระดับนาโนโครงสร้างผลึกของพวกมันจะเกิดการทำงานร่วมกันของโมเลกุลที่ซับซ้อน วิวัฒนาการของโครงสร้างระดับจุลภาคนี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของพวกมันในฐานะ "แหล่งกักเก็บออกซิเจน" ในการใช้งานด้านตัวเร่งปฏิกิริยาโดยตรง

ออกไซด์คู่ของซีเรียม-เซอร์โคเนียม (CeO2-ZrO2) เป็นวัสดุสำคัญในการบำบัดไอเสียยานยนต์และตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม โดยประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกอย่างมาก การศึกษานี้ใช้เทคนิคการวิเคราะห์ที่มีความแม่นยำสูง รวมถึงการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) และสเปกโทรสโกปีแบบรามาน เพื่อวิเคราะห์ว่าขนาดอนุภาคและอัตราส่วนองค์ประกอบส่งผลต่อการก่อตัวของเฟสในอนุภาคนาโนซีเรียม-เซอร์โคเนียมภายใต้สภาวะบรรยากาศอย่างไร

การวิจัยมุ่งเน้นไปที่รูปแบบวิวัฒนาการของเฟสลูกบาศก์ (c), เฟสเททราโกนัล (t, t', t'') และเฟสโมโนคลินิก (m) ที่ขนาดระดับนาโน

ข้อมูลจากการทดลองเผยให้เห็นรูปแบบที่สำคัญ: เมื่อขนาดอนุภาคลดลง จุดเริ่มต้นของการปรากฏของเฟสเททราโกนัล (t'' และ t') ในระบบซีเรียม-เซอร์โคเนียมจะเลื่อนไปสู่ความเข้มข้นของเซอร์โคเนียมที่สูงขึ้นอย่างเป็นระบบ ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าการจำกัดขนาดระดับนาโนส่งผลต่อสมดุลเฟสของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ

ขนาดอนุภาคที่เล็กลงช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายของเซอร์โคเนียมออกไซด์ในแลตทิซซีเรียมออกไซด์แบบลูกบาศก์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน ปริมาณเซอร์โคเนียมที่สูงขึ้นไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางเคมีของวัสดุให้เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการป้องกันการรวมตัวกันของอนุภาคที่ยอดเยี่ยม ป้องกันไม่ให้อนุภาคใหญ่ขึ้นที่อุณหภูมิสูง

ในระบบอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า 40 นาโนเมตร นักวิจัยสังเกตเห็นการกระจายตัวของเฟสที่ไม่เหมือนใครซึ่งแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่:

• เฟสลูกบาศก์ที่คงอยู่ (c-Ce1-xZrxO2-y): แม้ว่าปริมาณเซอร์โคเนียมจะสูงถึง 90% และขนาดเกรนเล็กเพียง 33 นาโนเมตร เฟสลูกบาศก์ยังคงมีปริมาณเฟสประมาณ 8% ความเสถียรของโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมนี้เป็นพื้นฐานของวัสดุสำหรับการกักเก็บและปล่อยออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพ (OSC)
• การเปลี่ยนเฟสที่ไม่มีอยู่: ที่น่าสังเกตคือ ภายในช่วงขนาดนาโนที่ศึกษา นักวิจัยตรวจไม่พบเฟสโมโนคลินิก (m) หรือเฟสเททราโกนัลแบบดั้งเดิม (t') สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการแปรรูปในระดับนาโนสามารถ "ล็อค" เฟสลูกบาศก์และเฟส t'' ที่มีฤทธิ์สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันการเปลี่ยนไปสู่เฟสที่มีฤทธิ์น้อยลง

การศึกษายืนยันว่าประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาของอนุภาคนาโนซีเรียม-เซอร์โคเนียมมีรากฐานมาจากความสามารถในการทำให้เฟสลูกบาศก์และเฟส t'' เสถียรที่ขนาดเฉพาะ ความคงทนของโครงสร้างนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุสามารถให้อะตอมออกซิเจนได้อย่างต่อเนื่องและเสถียรในระหว่างรอบการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง รักษาประสิทธิภาพของระบบตัวเร่งปฏิกิริยาให้สูง

สำหรับวิศวกรวัสดุ การควบคุมขนาดอนุภาคและองค์ประกอบอย่างแม่นยำช่วยให้สามารถสร้างความเสถียรของโครงสร้างที่ปรับแต่งได้ในตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา เปิดศักยภาพสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่ต้องการมากขึ้น

การตรวจสอบความเสถียรของเฟสในระบบนาโนซีเรียม-เซอร์โคเนียมนี้ไม่เพียงแต่เปิดเผยหลักการทางเคมีกายภาพในระดับนาโนเท่านั้น แต่ยังให้แนวทางโครงสร้างที่ชัดเจนสำหรับการพัฒนากลุ่มตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันที่มีประสิทธิภาพสูงอีกด้วย