Struktura nanokryształów i jej dynamika wyzwalana reakcją

Struktura nanokryształów i jej dynamika wyzwalana reakcją

Zespół 16. Struktura nanokryształów i jej dynamika wyzwalana reakcją
chemiczną na powierzchni.
Dr hab. Zbigniew Kaszkur, profesor nadzwyczajny IChF
Zespół ma wieloletnie doświadczenie w zastosowaniu dyfrakcji rentgenowskiej (również in situ)
do badań struktury materiałów amorficznych i nanokrystalicznych, a także odkrytych w naszym
Laboratorium faz roztworów stałych [2]. Ze względu na ograniczenia dyfrakcji proszkowej
podejmowaliśmy badania w środowisku reakcyjnym jednocześnie kilkoma metodami- łączyliśmy
dyfrakcję rentgenowską ze spektroskopią mas [6] i spektroskopią impedancyjną [5], specjalizowaliśmy
się również w technice RDF (radialnej funkcji dystrybucyjnej)[3] i spektroskopii EXAFS (badanie
subtelnej struktury krawędzi absorpcji rentgenowskiej) [4].
Obecnie prowadzone prace:
 badania dynamiki zmian struktury nanokryształów Pd, Pt, Ir, Au pod wpływem temperatury i
środowiska chemicznego. Obejmują zarówno badania rekonstrukcji powierzchni
nanokryształów w odpowiedzi na chemisorpcję silnie odziałujących gazów (H2, O2, CO,NO)
jak i badania dynamiki spiekania nanokryształów w podwyższonej temperaturze- również
indukowanej chemicznie (adsorpcja NO).
 Badania dynamiki zmian profilu stężeniowego nanocząstek bimetalicznych w funkcji
temperatury i adsorpcji na powierzchni. Obejmują procesy segregacyjne kontrolowane przez
szybkość dyfuzji atomów pierwiastków składowych.
 Badania struktury i zmian struktury katalizatorów metalicznych, w toku reakcji chemicznych
(badania we współpracy z zespołami katalitycznymi).
 Badania in situ struktury i dynamiki rozkładu fazy krystalicznej kryształów metaloorganicznych
(badania we współpracy z zespołem prof. J.Lewińskiego).
 Badania oddziaływań powierzchni nanokrystalicznego niklu z wodorem i tlenkiem węgla
metodą temperaturowo programowanej desorpcji/reakcji i metodami dyfrakcyjnymi [13,14,15].
Rys.1. Układ pomiarowy z detektorem INEL
Rys.2. Interfejs użytkownika programu CLUSTER.
Większość badań ewolucji struktury (w tym struktury powierzchni) prowadzona jest
zaproponowaną przez Zespół metodą dyfrakcji nanoproszkowej interpretującą subtelne zmiany
położenia, natężenia i szerokości nanokrystalicznych maksimów dyfrakcyjnych za pomocą
wielkoskalowych symulacji atomistycznych z wykorzystaniem potencjałów oddziaływania atomów
metali, realistycznie opisujących kohezję i termodynamikę nanocząstek metalicznych. Tą metodą udało
się np. zaobserwować i zmierzyć efekty relaksacji powierzchniowej [7,8,9] czy zarejestrować i opisać
rekonstrukcję struktury czystej powierzchni nanocząstek Pt modyfikowaną chemisorpcją wodoru [6].
Badania dyfrakcyjne nanocząstek i nanomateriałów w skali rozmiarów kilku nanometrów
związane są z niespełnianiem prawa Bragga i wymagają specjalnych podejść metodycznych [10,11,12].
Badania w kontrolowanym środowisku prowadzimy przy pomocy szeregu zaprojektowanych w
Zespole [np. 1] kamer do badań dyfrakcyjnych na dyfraktometrze rtg. z jednoczesną kontrolą
temperatury i składu gazowego atmosfery. Kamery te wykorzystujemy zarówno w układach
klasycznych dyfraktometrów jak i w pomiarach z detektorem pozycyjnym INEL CPS120
umożliwiającym równoczesny pomiar dyfraktogramu w zakresie kątowym 10-120 stopni (rys.1).
Interpretację wyników pomiarów wspomaga napisany w naszym zespole interaktywny program
CLUSTER (wersja pod S.O. Linux do pobrania- http://www.acn.waw.pl/kaszkur/ZK_home_page.html
). Umożliwia tworzenie realistycznych modeli fizyko-chemicznych, opis ich termodynamiki (metody
minimalizacji energii, dynamiki molekularnej i metody Monte-Carlo) i obliczanie interpretowalnych
charakterystyk układu (radialna funkcja dystrybucyjna, dyfraktogram).
Przykładem prac metodami temperaturowo-programowanymi jest pomiar stanów
chemisorpcyjnych wodoru na powierzchni nanokrystalicznego niklu i pierwsza obserwacja
niskotemperaturowego stanu γ (rys.3).
Rys.3.
1.
J.Zieliński, A.Borodziński, Appl.Catal., 13 (1985) 305.
2.
Z. Kaszkur, J. Stachurski, J. Pielaszek, J. Phys.Chem.Solids, 47 (1986) 795.
3.
Z.Kaszkur, J. Appl.Cryst. , 23 ,(1990), 180.
4.
B. Mierzwa, Z. Kaszkur, B. Moraweck, J. Pielaszek, J. Alloy.Comp., 286 (1999) 93.
5.
M. Kopeć, D. Lisovytskiy, M. Marzantowicz, J. R. Dygas, F. Krok, Z. Kaszkur, J. Pielaszek, J. Power Sources, 159 (2006) 412.
6.
P. Rzeszotarski, Z. Kaszkur, Phys.Chem. Chem.Phys., 11 (2009) 5416.
7.
Z. Kaszkur, J. Appl. Crystallogr., 33 (2000) 1262.
8.
Z. Kaszkur, J. Appl. Crystallogr., 33 (2000) 87.
9.
Z. Kaszkur, Phys. Chem. Chem. Phys., 6 (2004) 193.
10.
Z. Kaszkur, B.Mierzwa, Philos.Mag., 77 (1998) 781.
11.
Z. Kaszkur, Zeit. Kristallogr., 23, 147 (2006).
12.
Z. Kaszkur, B. Mierzwa, J. Pielaszek, .J. Appl. Crystallogr., 38 (2005) 266.
13.
L. Znak, J. Zieliński, Langmuir, 22 (2006) 8758.
14.
L. Znak, J. Zieliński, Appl. Catal. A: Gen., 324 (2008) 268.
15.
Znak L., Kaszkur Z., Zieliński J., Catal.Lett., 136, (2010) 92.