Steam reforming turns methane from biomass into a mixture that can be further converted into transportation fuels. By combining experimental and theoretical approaches, researchers at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Institute for Integrated Catalysis determined key properties of potentially more durable rhodium and iridium catalysts, which drive the reactions ("Highly active and stable MgAl2O4-supported Rh and Ir catalysts for methane steam reforming: A combined experimental and theoretical study"). Catalysts that quickly fail because of high temperatures and tar buildup are not practical for large-scale steam reforming production. Small iridium particles proved fast and stable. Why It Matters By providing an enhanced understanding of the performance of rhodium- and iridium-based steam methane reforming (SMR) catalysts, this study paves the way for better characterizing and optimally screening potential catalysts for steam reforming methane and other hydrocarbons. Ultimately, findings will lead to selecting and developing high-performing SMR catalysts. Methods The researchers investigated the performance of a series of noble metal SMR catalysts supported on spinel magnesium aluminum oxide, a specific support in catalytic reactions for steam reforming. The team found that rhodium and iridium catalysts displayed the best combination of high SMR activity and favorable stability in the presence of simulated biomass -- derived syngas-a fuel gas mixture primarily of hydrogen and carbon monoxide -- which can be further converted to transportation fuels and other useful chemicals. Scanning transmission electron microscopy images showed rhodium and iridium nanoclusters formed and stabilized on the support at high temperatures and in the presence of steam. These highly dispersed nanoparticles showed excellent activity for methane steam reforming in the presence of tars. Moreover, theoretical modeling revealed the small rhodium and iridium particles bind strongly to the support surface and activate both water and methane more effectively than larger particles. These catalysts resisted deactivation through sintering -- the process by which particles segregate into larger inactive particles, especially at high temperatures. In addition, the iridium catalyst resisted deactivation through carbon deposition and was more active than the counterpart rhodium catalyst for SMR. Taken together, the findings suggest the supported iridium SMR catalysts could potentially replace nickel-based catalysts, which are highly susceptible to deactivation from carbon deposition and sintering. The research was conducted in Process Development Laboratory East at PNNL and Quiet Wing at EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, a U.S. Department of Energy (DOE) national scientific user facility at PNNL. Computations were done in EMSL and at the National Energy Research Scientific Computing Center. What's Next? The researchers are continuing to delve into the properties and behaviors of catalysts for SMR and other reactions that can change our nation's energy landscape.
Iridium nanoparticles resist deactivation in biofuel production
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Rätsel des platinarmen Nanokatalysators geklärt
Neuartige Nanopartikel-Katalysatoren könnten die Kosten für Brennstoffzellen dramatisch reduzieren. Ein von Berliner und Jülicher Forschern entwickelter Katalysator kommt mit einem Zehntel der üblichen Platinmenge aus. Doch wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der Elemente zustande kommen, war bisher unklar. Mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten die Wissenschaftler nun erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Die Erkenntnisse könnten helfen, die bislang noch kurze Lebensdauer zu verbessern ("Element-specific anisotropic growth of shaped platinum alloy nanocrystals"). 
Berliner und Jülicher Forscher konnten mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kristalline Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen in mehreren Stufen verläuft. Zunächst bildet sich ein kugelförmiges Gebilde (links), daraus wächst ein so genannter „Hexapod“ (Mitte), der vorwiegend aus Platinatomen (rot) besteht, und in der letzten Phase des Wachstums lagern sich bevorzugt Nickelatome (grün) in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen an und komplettieren die Oktaederform (rechts). Am Ende sind die Nickel- und Platinatome nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel verteilt. (Bild: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin) Mit einer Grösse von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Charakteristisch ist ihre Form, die einem Oktaeder – zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden – entspricht. Auf welche Weise sich die Oktaederform während des Wachstums ausbildet und wie sich dabei die Elemente der Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung verteilen, war bislang völlig unbekannt. Diese Informationen sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen. „Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen grossen Unterschied bewirken“, erläutert Dr. Marc Heggen vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) und vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Wie die Forscher des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Berlin und der Tsinghua Universität in China herausfanden, wachsen die kristallinen Katalysatorteilchen nicht gleichmässig, sondern in mehreren Stufen. Zunächst bildet sich, ausgehend von einem kugelförmigen Keim, innerhalb weniger Stunden ein kreuzförmiges Grundgerüst mit sechs Spitzen, das nahezu ausschliesslich aus Platinatomen entsteht. Anschliessend lagern sich in einem sehr viel langsameren Wachstumsschritt vorwiegend Nickel- oder Kobaltatome in den entstandenen Mulden an. Wenn die Oberflächen des Oktaeders glatt aufgefüllt sind, stoppt das Wachstum. Die Form gilt für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv ablaufen. Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibt im Oktaeder erhalten und hat entscheidenden Einfluss auf sein katalytisches Verhalten. „Dass wir nun genauer verstehen, wie solche binären Partikel bei der Herstellung wachsen, wird dabei helfen, die Effizienz und Stabilität schon bald weiter zu verbessern“, ist sich Heggen sicher. Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope am ER-C, einer Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance. Dabei wird der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine charakteristische Spur hinterlässt. Herkömmliche Elektronenmikroskope können solche chemischen Signaturen nicht mit atomarer Auflösung erkennen.
Berliner und Jülicher Forscher konnten mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kristalline Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen in mehreren Stufen verläuft. Zunächst bildet sich ein kugelförmiges Gebilde (links), daraus wächst ein so genannter „Hexapod“ (Mitte), der vorwiegend aus Platinatomen (rot) besteht, und in der letzten Phase des Wachstums lagern sich bevorzugt Nickelatome (grün) in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen an und komplettieren die Oktaederform (rechts). Am Ende sind die Nickel- und Platinatome nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel verteilt. (Bild: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin) Mit einer Grösse von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Charakteristisch ist ihre Form, die einem Oktaeder – zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden – entspricht. Auf welche Weise sich die Oktaederform während des Wachstums ausbildet und wie sich dabei die Elemente der Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung verteilen, war bislang völlig unbekannt. Diese Informationen sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen. „Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen grossen Unterschied bewirken“, erläutert Dr. Marc Heggen vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) und vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Wie die Forscher des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Berlin und der Tsinghua Universität in China herausfanden, wachsen die kristallinen Katalysatorteilchen nicht gleichmässig, sondern in mehreren Stufen. Zunächst bildet sich, ausgehend von einem kugelförmigen Keim, innerhalb weniger Stunden ein kreuzförmiges Grundgerüst mit sechs Spitzen, das nahezu ausschliesslich aus Platinatomen entsteht. Anschliessend lagern sich in einem sehr viel langsameren Wachstumsschritt vorwiegend Nickel- oder Kobaltatome in den entstandenen Mulden an. Wenn die Oberflächen des Oktaeders glatt aufgefüllt sind, stoppt das Wachstum. Die Form gilt für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv ablaufen. Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibt im Oktaeder erhalten und hat entscheidenden Einfluss auf sein katalytisches Verhalten. „Dass wir nun genauer verstehen, wie solche binären Partikel bei der Herstellung wachsen, wird dabei helfen, die Effizienz und Stabilität schon bald weiter zu verbessern“, ist sich Heggen sicher. Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope am ER-C, einer Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance. Dabei wird der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine charakteristische Spur hinterlässt. Herkömmliche Elektronenmikroskope können solche chemischen Signaturen nicht mit atomarer Auflösung erkennen.Van der Waals epitaxy and photoresponse of hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets
Van der Waals epitaxy (vdWE) has recently been identified as a facile synthesis technique in the growth of ultrathin two dimensional (2D) layered materials and their vertical heterostructures. Unlike conventional heteroepitaxy, vdWE utilizes substrates whose surface is chemically inert because of the absence of surface dangling bonds such as fluorophlogopite mica. In the vdWE growth, the overlayer and substrate are mainly connected by weak van der Waals interaction instead of strong chemical bonding. Therefore, vdWE can circumvent strict requirement of lattice matching, enabling the growth of defect-free overlayer with different crystalline symmetry to that of substrate. In addition, vdWE allows overlayer to be perfectly relaxed without excessive strain in the heterointerface. These superior properties of vdWE make it a powerful technique to grow various 2D layered materials with highly single crystalline. As mentioned initially, vdWE has been successfully applied to prepare layered topological insulator Bi2X3 (X=Se or Te) nanoplates on mica, graphene flakes on h-BN or mica, atomically thin III-VI semiconductor flakes on mica and transition-metal dichalcogenide nanoplates on graphene or mica. However, the utilization and characteristics of vdWE on 2D nanoarchitectures for many important non-layered materials are still not very well documented. Furthermore, 2D nanoarchitectures are of great importance in fabricating electronic and optoelectronic device due to their compatibility with traditional microfabrication techniques. A fundamental research of vdWE effects on the growth of planar/lamellar nanoarchitectures of non-layered materials could enable the development of various functional devices such as flexible photodetector. In new work coming out of the Jun He group at the National Center for Nanoscience and Technology, the researchers have successfully realized 2D hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets via vdWE. 
Researchers successfully realize 2D hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets via vdWE. Chemically inert mica surface is found to be crucial for the lateral growth of hexagonal tellurium nanoplates since it (1) facilitates the migration of tellurium adatoms along mica surface and (2) allows a large lattice mismatch. Furthermore, 2D tellurium hexagonal nanoplates-based photodetectors are in situ fabricated on flexible mica sheets. Efficient photoresponse is obtained even after bending the device for 100 times, indicating 2D tellurium hexagonal nanoplates-based photodetectors on mica sheets have a great application potential in flexible and wearable optoelectronic devices. (© ACS) The results have been published in the July 2, 2014 online edition of ("Van der Waals epitaxy and photoresponse of hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets"). The obtained 2D hexagonal Te nanoplate shows highly single crystalline, large lateral dimensions (6-10 µm) and thin thickness (30-80 nm). Due to the absence of surface dangling bond on mica substrate, Te adatoms have a high migration rate along the mica surface and thus promptly move towards growth sites, which results in a fast lateral growth of 2D Te hexagonal Te nanoplate without strict lattice match. Unique 2D geometry of regular Te hexagonal nanoplates facilitates their fabrications into functional electronic and optoelectronic device. In this work, they have fabricated single 2D Te hexagonal nanoplate photodetector directly on flexible mica growth substrate. High photoresponse is observed in two-terminal 2D Te hexagonal nanoplate device even after bending the flexible mica sheet for 100 times. Their work extends the research area of 2D materials from layered materials to nonlayered materials which will bring out intriguing electronic properties.
Researchers successfully realize 2D hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets via vdWE. Chemically inert mica surface is found to be crucial for the lateral growth of hexagonal tellurium nanoplates since it (1) facilitates the migration of tellurium adatoms along mica surface and (2) allows a large lattice mismatch. Furthermore, 2D tellurium hexagonal nanoplates-based photodetectors are in situ fabricated on flexible mica sheets. Efficient photoresponse is obtained even after bending the device for 100 times, indicating 2D tellurium hexagonal nanoplates-based photodetectors on mica sheets have a great application potential in flexible and wearable optoelectronic devices. (© ACS) The results have been published in the July 2, 2014 online edition of ("Van der Waals epitaxy and photoresponse of hexagonal tellurium nanoplates on flexible mica sheets"). The obtained 2D hexagonal Te nanoplate shows highly single crystalline, large lateral dimensions (6-10 µm) and thin thickness (30-80 nm). Due to the absence of surface dangling bond on mica substrate, Te adatoms have a high migration rate along the mica surface and thus promptly move towards growth sites, which results in a fast lateral growth of 2D Te hexagonal Te nanoplate without strict lattice match. Unique 2D geometry of regular Te hexagonal nanoplates facilitates their fabrications into functional electronic and optoelectronic device. In this work, they have fabricated single 2D Te hexagonal nanoplate photodetector directly on flexible mica growth substrate. High photoresponse is observed in two-terminal 2D Te hexagonal nanoplate device even after bending the flexible mica sheet for 100 times. Their work extends the research area of 2D materials from layered materials to nonlayered materials which will bring out intriguing electronic properties.
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