Molekylære prober kræver meget præcise beregninger

Katalysatorer er uundværlige for mange teknologier. For yderligere at forbedre heterogene katalysatorer, det er nødvendigt at analysere de komplekse processer på deres overflader, hvor de aktive websteder er placeret. Forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT), sammen med kolleger fra Spanien og Argentina, nu har nået afgørende fremskridt:Som rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve , de bruger beregningsmetoder med såkaldte hybridfunktionaliteter til pålidelig fortolkning af eksperimentelle data.

Mange vigtige teknologier, såsom processer til energiomdannelse, emissionsreduktion, eller produktion af kemikalier, arbejde kun med egnede katalysatorer. Af denne grund, meget effektive materialer til heterogen katalyse får større betydning. Ved heterogen katalyse, materialet, der virker som en katalysator, og de reagerende stoffer findes i forskellige faser som et fast stof eller en gas, for eksempel. Materialesammensætninger kan bestemmes pålideligt ved forskellige metoder. Processer, der finder sted på katalysatoroverfladen, imidlertid, kan detekteres ved næsten ingen analysemetode. "Men det er disse meget komplekse kemiske processer på katalysatorens yderste overflade, der er af afgørende betydning, "siger professor Christof Wöll, Leder af KIT's Institute of Functional Interfaces (IFG). "Der, de aktive steder er placeret, hvor den katalyserede reaktion finder sted. "

Præcis undersøgelse af overfladen af ​​pulverkatalysatorer

Blandt de vigtigste heterogene katalysatorer er ceriumoxider, dvs. forbindelser af det sjældne jordartsmetal cerium med ilt. De findes i pulverform og består af nanopartikler med kontrolleret struktur. Nanopartiklernes form påvirker katalysatorens reaktivitet betydeligt. For at studere processerne på overfladen af ​​sådanne pulverkatalysatorer, forskere begyndte for nylig at bruge sondemolekyler, såsom kulilte -molekyler, der binder sig til nanopartiklerne. Disse prober måles derefter ved infrarød refleksionsabsorptionsspektroskopi (IRRAS). Infrarød stråling får molekyler til at vibrere. Fra sondemolekylernes vibrationsfrekvenser, detaljerede oplysninger kan fås om typen og sammensætningen af ​​de katalytiske steder. Indtil nu, imidlertid, fortolkningen af ​​de eksperimentelle IRRAS -data har været meget vanskelig, fordi teknologisk relevante pulverkatalysatorer har mange vibrationsbånd, hvis nøjagtige tildeling er udfordrende. Teoretiske beregninger hjalp ikke fordi afvigelsen fra forsøget, også for modelsystemer, var så stor, at eksperimentelt observerede vibrationsbånd ikke kunne tildeles præcist.

Lang beregningstid - høj nøjagtighed

Forskere ved KIT's Institute of Functional Interfaces (IFG) og Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT), i samarbejde med kolleger fra Spanien og Argentina koordineret af Dr. M. Verónica Ganduglia-Pirovano fra Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) i Madrid, har nu identificeret og løst et stort problem med teoretisk analyse.

Som rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve , systematiske teoretiske undersøgelser og validering af resultaterne ved hjælp af modelsystemer afslørede, at teoretiske metoder, der hidtil er anvendt, har nogle grundlæggende svagheder. Generelt, sådanne svagheder kan observeres i beregninger ved hjælp af densitet funktionel teori (DFT), en metode, hvormed kvantemekanikkens grundtilstand i et multi-elektron-system kan bestemmes ud fra elektronernes tæthed. Forskerne fandt ud af, at svaghederne kan overvindes med såkaldte hybridfunktioner, der kombinerer DFT med Hartree-Fock-metoden, en tilnærmelsesmetode i kvantekemi.

Dette gør beregningerne meget komplekse, men også meget præcis. "Beregningstiderne, der kræves af disse nye metoder, er længere med en faktor 100 end for konventionelle metoder, "siger Christof Wöll." Men denne ulempe kompenseres mere end den fremragende aftale med de eksperimentelle systemer. "Brug af nanoskalerede ceriumoxidkatalysatorer, forskerne demonstrerede denne fremgang, der kan bidrage til at gøre heterogene katalysatorer mere effektive og holdbare.