Scanning tunneling mikroskopi målinger identificerer aktive steder på katalysatorer

Kemi live:Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop, forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) var for allerførste gang i stand til i detaljer at se aktiviteten af ​​katalysatorer under en elektrokemisk reaktion. Målingerne viser, hvordan overfladestrukturen af ​​katalysatorerne påvirker deres aktivitet. Den nye analysemetode kan nu bruges til at forbedre katalysatorer til den elektrokemiske industri.

Ingen energiovergang uden katalysatorer:I sig selv, de kemiske processer, der er nødvendige for at fremstille brintgas ved brug af elektricitet, at omdanne brinten tilbage til elektrisk energi i brændselsceller, eller at omdanne kuldioxid til brændstof foregår for langsomt til at være praktisk anvendeligt. Katalysatorer accelererer reaktionen uden selv at blive brugt op.

"Katalysatorer er af enorm betydning for industrien. Derfor industrien har stor interesse i at forbedre materialerne yderligere for at øge effektiviteten af ​​processerne", forklarer Aliaksandr Bandarenka, Professor i fysik af energiomdannelse og -lagring ved TUM.

At arbejde sammen med sit team, kemikeren har nu givet en afgørende forudsætning for at gøre det:For første gang, et scanningstunnelmikroskop er med succes blevet brugt til at undersøge overfladen under en katalytisk proces. På denne måde, det var muligt i detaljer at bestemme de steder, hvor reaktionshastigheden og dermed aktiviteten af ​​katalysatorerne er højest. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

På søgen efter aktive centre

I lang tid nu, forskere har mistænkt, at der er en sammenhæng mellem overfladestrukturen og aktiviteten af ​​heterogene katalysatorer, hvor kemiske reaktioner finder sted ved grænsefladen mellem et fast stof og en væske eller gas. Heterogene katalysatorer anvendes f.eks. til elektrolytisk produktion af brintgas eller til rensning af køretøjers udstødningsgasser.

"Imidlertid, de kemiske reaktioner foregår ikke med samme hastighed alle steder. I stedet, der er aktive centre på overfladen af ​​katalysatorerne", rapporterer Bandarenka. "Tidligere vi var nødt til at stole på modelberegninger og indirekte målinger for at lokalisere disse centre."

Med den nye analyseprocedure eksistensen af ​​de aktive centre kan nu bevises eksperimentelt. Prøver med katalysatormaterialer - inklusive platin og en kombination af guld og palladium - dækkes med et flydende elektrolytlag og undersøges ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop.

Mens hydrogenioner (dvs. protoner) modtager elektroner fra elektroden, ved overfladen af ​​katalysatoren, og danner brintgas, spidsen af ​​mikroskopet scanner overfladen af ​​katalysatoren i en afstand af blot nogle få ångstrøm. Punkt for punkt, den "tunnelstrøm", som løber mellem overfladen og spidsen, måles nu. En computer, der er tilsluttet enheden, registrerer signalerne.

Et "støjende" mysterium

"Interessant nok, tunnelstrømmene er ikke de samme overalt. Der er områder, hvor strømmen er stærkere, men flyder ujævnt - det er 'støjende' ", rapporterer Bandarenka. Eksistensen af ​​denne støj har været kendt i lang tid, men til dato, ingen har undersøgt, hvad det skyldes.

Under evalueringen af ​​dataene, TUM-teamet opdagede et tydeligt forhold mellem intensiteten af ​​støjen og defekter på overfladen af ​​katalysatorerne - mikroskopisk små trin, kanter, eller hjørner. "I takt med at antallet af defekter stiger, det samme gør støjen - flere elektroner flyder og dermed også mere strøm", forklarer Bandarenka.

Fastfood-princippet

Forskeren kan godt lide at sammenligne ionernes adfærd med gæsterne på en fastfoodrestaurant:Når siddepladserne er ubehagelige, de går med det samme uden at indtage noget. På den anden side, hvis sæderne er yderst behagelige, de bliver siddende i lang tid, blokering af pladserne for nye gæster. Det er kun, når siddepladserne hverken er for komfortable eller for ubehagelige, at kunderne kommer, spise, og gå igen.

Set i forhold til de kemiske processer under elektrolyse, dette betyder følgende:Hvis overfladen af ​​katalysatoren er for kemisk attraktiv eller afvisende for hydrogenionerne, reaktionen bryder sammen. De mest effektive områder er, hvor ioner tiltrækkes, men forbliv ikke for længe.

Færre naboer giver bedre reaktioner

Små defekter i atomgitteret, men også grænser mellem materialer - for eksempel palladium på guld - ser ud til at skabe disse ideelle betingelser for katalyse. Men hvorfor? "Vores eksperimenter viser, at antallet af naboatomer og den resulterende styrke af bindingen er en afgørende faktor for aktivitet", forklarer Oliver Schneider, en af ​​medforfatterne til publikationen.

TUM-forskerne agter nu at bruge resultaterne til at udvikle mere effektive katalytiske materialer med aktive arealer, der er så store som muligt.