Ion beam shaping of catalytic nanoparticles

Abstract

Mit der steigenden Relevanz von Wasserstoff im globalen Energiesektor ist es wichtig, dass seine Produktion optimiert wird. Die Water-Gas-Shift-Reaktion (WGS), welche Wasserdampf und CO in H2 und CO2 umwandelt, ist ein essentieller Schritt in der Dampfreformierung, eines der häufigsten Wasserstoffproduktionsprozesse. WGS erfordert einen Katalysator, welcher in unterschiedlichen Formen vorliegen kann. Metallische Nanopartikel sind dabei besonders von Interesse, da ihr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu hoher Aktivität bei kleinen Mengen führt. Im Nanometerbereich führen kleine Änderungen der Größe oder der Oberflächenkonstruktion zu drastischen Schwankungen der katalytischen Eigenschaften. Ionenstrahlen sind ein oberflächensensitiver Weg Proben zu modifizieren, durch das Prinzip des Sputterns. Das Umformen von kugelförmigen 10 nm Au-, Cu-, und AuCu-Partikeln durch Ionenstrahlung wurde mit Hilfe des Codes SDTrimSP-3D, welcher auf der Binary Collision Näherung beruht, simuliert. Fluenzen zwischen 0.5 und 1.0 Ionen/Å^2 führen dazu, dass die obere Hälfte der Kugel kegelartig abgeschrägt wird, während bei Bestrahlug mit 2.0Ionen/Å^2 das Partikel fast vollständig erodiert wird. SDTrimSP-3D simuliert auch Durchmischung der Elemente, wobei bei der Bestrahlung von AuCu-Partikeln Au sich an der Oberfläche anreichert. Die Erosion von 10 nm AuCu-Partikeln wurde experimentell nachgewiesen, indem Nanopartikel durch Drop-Casting auf ein Kohlenstoffsubstrat deponiert und bestrahlt wurden. Atomic force microscopy (AFM) Messungen zeigen, dass mit 7.6 nm die durchschnittliche Höhe eines ursprünglich 10 nm großen Nanopartikels, bestrahlt mit 0.5 Ionen/Å^2, mit der simulierten Vorhersage übereinstimmt.

As hydrogen gains importance in the global energy economy, optimizing its production becomes crucial. The water gas shift reaction (WGS), which converts steam and CO to H2 and CO2, is an essential step in the process of steam-methane reforming, one of the most common hydrogen production methods. WGS requires a catalyst, which can take different forms. Metallic nanoparticle catalysts are of a particular interest, because of their high surface to volume ratio, which creates high activity using small amounts of the catalyst. At the nanoscale, small changes in size or surface construction can lead to drastic changes in catalytic properties. Ion beam irradiation is a surface-sensitive way of modifying samples through sputter erosion. The shaping of spherical 10 nm Au, Cu, and AuCu particles with ion beams was simulated using the binary collision approximation code SDTrimSP-3D. Fluences between 0.5 and 1.0 ions/Å^2 result in the top of the sphere taking on a conical shape, while after irradiation with 2.0 ions/Å^2, the nanoparticle is almost completely eroded. SDTrimSP-3D also simulates the intermixing of elements, showing that irradiation of AuCu alloy particles leads to an enrichment of Au at the surface. The erosion of 10 nm AuCu particles was reproduced experimentally by irradiating nanoparticles drop cast onto glassy carbon wafers. Atomic force microscopy (AFM) measurements show that at 7.6 nm the average height of an originally 10 nm AuCu particle irradiated with 0.5 ions/Å^2 matches up with the simulated prediction.