Fortschrittliche Röntgentechnik enthüllt schnelle chemische Reaktionswege zwischen Feststoffen und Gasen

Für das rationale Design neuer Materialverbindungen ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die ihrer Synthese zugrunde liegen. Analytische Techniken wie Kernspinresonanz und Spektroskopie werden üblicherweise verwendet, um solche Mechanismen in molekularen Reaktionen zu untersuchen. Allerdings sind die Reaktionswege, die die Bildung von kristallinen Festkörperverbindungen steuern, noch kaum verstanden.

Dies liegt teilweise an den extremen Temperaturen und inhomogenen Reaktionen, die in Festkörperverbindungen beobachtet werden. Außerdem behindert das Vorhandensein zahlreicher Atome in festen kristallinen Verbindungen eine genaue Analyse. Daher ist es notwendig, neue Techniken zu entwickeln, die diese Herausforderungen umgehen können.

In jüngerer Zeit wurden In-situ-Synchrotron-Röntgenbeugungstechniken (XRD) zur Untersuchung von Reaktionen verwendet, die in kristallinen Phasen ablaufen. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und zeitlichen Auflösung bieten Synchrotron-XRD-Messungen Zugang zu Reaktionsdaten innerhalb extrem kurzer Zeitfenster (wenige hundert Millisekunden). Dies macht die Technik vielversprechend für die Erfassung von Daten zu kurzlebigen Zwischenreaktionsphasen.

Jetzt hat eine Gruppe von Forschern aus Japan eine solche hochmoderne Synchrotron-XRD-Technik verwendet, um über die topochemischen Feststoff-Gas-Reduktionsmechanismen in geschichtetem Perowskit zu berichten. Die Studie wurde von Associate Professor Takafumi Yamamoto vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) geleitet und in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

„Wir haben Sr3Fe2O7-δ, einen geschichteten Perowskit vom Ruddlesden-Popper-Typ, aufgrund seiner effizienten Sauerstoffspeicherfähigkeit verwendet. Sr3Fe2O7-δ geht reversible und schnelle topochemische Redoxreaktionen unter O2 und H2 ein und zeigt eine hervorragende Leistung als Umweltkatalysatormaterial“, erklärt Dr Yamamoto.

Seine Mitarbeiter hatten zuvor beobachtet, dass das Dotieren von Sr3Fe2O7-δ mit Palladium (Pd) die Sauerstofffreisetzungsrate signifikant erhöht, während die Freisetzungstemperatur gesenkt wird. Basierend auf diesen Beobachtungen untersuchte das Team die Reaktionswege und die strukturelle Entwicklung dieses Perowskits während der Feststoff-Gas-Reduktion.

Das Team begann mit der Vorbereitung einer unberührten Probe und einer Pd-beladenen Probe von Sr3Fe2O7-δ. Sie verwendeten dann Hochgeschwindigkeits-Synchrotron-XRD, um sie zu überwachen, während sie einer schnellen Sauerstoff-Deinterkalation (Reduktion) unterzogen wurden.

Die Analysen zeigten, dass die Reduktion von ursprünglichem Sr3Fe2O7-δ über thermodynamisch stabile Phasen verlief, wobei ursprüngliches Sr3Fe2O7-δ während seiner Reduktion eine allmähliche einphasige Strukturentwicklung durchmachte.

Im Gegensatz dazu umfasste die Reduktion von Pd-beladenem Sr3Fe2O7-δ Nichtgleichgewichts-Zwischenphasen, ein drastisch anderer Weg. Es verwandelte sich zunächst für einige Sekunden in eine dynamisch ungeordnete Phase und ordnete sich dann über einen Übergang erster Ordnung neu an, um den endgültigen geordneten und stabilen Zustand zu erreichen.

Darüber hinaus beschleunigten Pd-Metallpartikel auf der Sr3Fe2O7-δ-Oberfläche die Sauerstoff-Deinterkalationsreaktion von Pd-beladenem Sr3Fe2O7-δ im Vergleich zu der von reinem Sr3Fe2O7-δ erheblich.

Dr. Yamamoto fügt hinzu: „Die Änderung der Reaktionsdynamik nach der Beladung von Sr3Fe2O7-δ mit Pd zeigt, dass die Oberflächenbehandlung zur Manipulation von Reaktionsvorgängen in einem kristallinen Material verwendet werden kann.“

Zusammenfassend legen diese Ergebnisse nahe, dass die Synchrotron-XRD-Technik genutzt werden kann, um Reaktionswege in Festkörperverbindungen zu untersuchen und ihre geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu identifizieren. Dies wiederum könnte dazu beitragen, den Reaktionsweg für das rationale Design von Hochleistungs-Funktionsmaterialien zu optimieren.