Transmission electron microscopy studies of catalysts and catalyst carriers for CO2 absorption and reduction reactions

Promovendus/a: Matthias Quintelier

Promotor(en): Joke Hadermann

Door de toenemende hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer wordt het omzetten van dit broeikasgas in bruikbare producten via katalyse gezien als een veelbelovende aanpak. Deze thesis onderzoekt katalytische materialen zoals gelaagde dubbele hydroxiden (LDHs), metaal-organische roosters (MOFs) en op ZnO gebaseerde katalysatoren met behulp van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Door conventionele en in situ TEM-technieken te combineren, onderzoekt deze thesis hoe verschillende synthesemethoden, verwerkingsstappen en omgevingsfactoren deze materialen op nanoschaal beïnvloeden.

Voor LDHs werd TEM gebruikt om te bestuderen hoe variaties in samenstelling, veroudering en mechanische bewerking invloed hebben op de vorm en structuur van de deeltjes. Van de bestudeerde materialen toonde ZnAl LDH een hoog potentieel voor CO₂-reductiereacties, ondanks de aanwezigheid van laagdefecten. In situ experimenten bij verhitting en blootstelling aan CO₂ lieten structurele veranderingen zien, zoals laagexpansie en fasetransformaties, die bijdragen aan het begrip van de katalytische werking.

Bij MOFs, waaronder M-MOF-74 (M = Cu, Zn), toonden in situ studies aan dat er atomen achterblijven in de poriën na de gebruikelijke activeringsprocedure, en dat er verschillen zijn in thermische stabiliteit. CO₂-adsorptie-experimenten brachten niet-lineaire moleculaire configuraties en sterke interacties aan het licht, wat bestaande aannames uitdaagt en inzicht geeft in de structurele instabiliteit tijdens desorptie. De structuur van een nieuw MOF, genaamd UA-4, werd opgelost met behulp van driedimensionale elektronen-diffractie, nadat andere methoden hier niet in slaagden. Ook enzym-MOF-hybriden werden onderzocht. Daarbij werd een nieuwe kleuringstechniek ontwikkeld waarmee enzymen voor het eerst direct zichtbaar gemaakt konden worden binnen het MOF-rooster met TEM.

Op ZnO gebaseerde katalysatoren werden bestudeerd na synthese via verschillende methoden, wat leidde tot een grote variatie in deeltjesvormen, waaronder nanostaven, driehoekige structuren en visgraatachtige vormen. In situ oxidatiestudies werden bemoeilijkt door de vorming van ongewenste lagen van SiOx, wat de uitdagingen benadrukt bij het onderzoeken van materialen onder reactieve omstandigheden.

Dit onderzoek biedt inzichten op atomaire schaal in hoe de structuur van katalysatoren hun prestaties beïnvloedt. Het draagt bij aan de ontwikkeling van efficiëntere materialen voor CO₂-conversie en gaat in op belangrijke uitdagingen bij het gebruik van (in situ) TEM voor het bestuderen van dynamische en stralingsgevoelige systemen. De resultaten ondersteunen toekomstige inspanningen om betere katalysatoren te ontwerpen en technieken te verbeteren voor het bestuderen van functionele materialen onder realistische omstandigheden.