Lokalisering af den præcise reaktionsvej:Metan-dissociation på platin

Overgangsmetalkatalysatorer, såsom nikkel og kobolt, anvendes i vid udstrækning i industrien til at fremstille brint og andre nyttige forbindelser ud fra naturgas. Forskere opnår denne transformation gennem dampreformering, som er processen med opvarmning af metan med damp i nærværelse af katalysatoren, derved producerer brint og kulilte.

Overgangsmetaller er kendt for deres overlegne katalytiske egenskaber, og forskere ved, at de mest signifikante reaktioner forekommer på overfladen af ​​katalysatorerne. Indtil nu, søgen efter endnu bedre katalysatorer har i vid udstrækning været baseret på forsøg og fejl, og ud fra den antagelse, at katalyserede reaktioner finder sted på trinkanter og andre atomare defektsteder i metalkrystallerne.

Et internationalt forskerhold fra Schweiz, Holland, og USA har kombineret eksperimenter med avancerede infrarøde teknikker med kvanteteori for at udforske metan-dissociationsreaktioner i mindste detalje. For første gang, deres forskning viser præcis, hvor de mest markante reaktioner sker på katalysatorens overflade. Forskerne fokuserede på platin (Pt) som katalysatoren til at nedbryde metan, men modellen kan anvendes på andre overgangsmetalkatalysatorer, såsom nikkel. De rapporterer deres resultater i denne uge Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing.

"En afprøvet prædiktiv teori med kemisk nøjagtighed kunne ændre den måde, man søger efter nye katalysatorer på og gøre søgningen mere effektiv og billigere, " sagde Rainer Beck, medforfatter til papiret og professor i kemividenskab og ingeniørvidenskab ved cole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL).

På atomær skala, overfladen af ​​en platinkatalysator (såvel som andre metalkrystaller) kan bestå af trin, terrasser, og andre defekter, der ses som vigtige "steder" i den katalytiske proces.

Forskerholdet brugte infrarød laserpumpning til at excitere metanmolekylerne til udvalgte rotations- og vibrationskvantetilstande. Forskerne brugte derefter refleksionsabsorptions-infrarød spektroskopi (RAIRS) til at detektere metan-dissociation på de forskellige steder i Pt(211)-krystallen. RAIRS er en ikke-påtrængende teknik, der gør det muligt for forskere at overvåge kemiske reaktioner i realtid under aflejring af, I dette tilfælde, metan på Pt-overfladen ved at registrere stedspecifikke optagelseskurver for kemisorberede methylarter på trin- og terrassesteder. Baseret på disse målinger, forskere kan derefter bestemme reaktivitetsniveauerne for metan på hvert af stederne.

Forskerne brugte også Reaction Path Hamiltonian-modellen, en kvanteteoretisk ramme, at beregne den potentielle energioverflade og udforske dynamikken under de kemiske reaktioner. Deres resultater viste, at dissociationsreaktioner er mindst to størrelsesordener mere effektive på trinene end på terrasserne. I øvrigt, ingen reaktion fandt sted på en tredje type overfladested placeret mellem trin og terrassen (benævnt "hjørneatomer").

"Vi demonstrerede, at det er muligt at bruge RAIRS-detektion til tilstands- og overflade-site-specifikke målinger af metan-reaktivitet og at sammenligne effekten af ​​vibrationsexcitation på reaktivitet på trinene og terrasserne af en katalysatoroverflade, " sagde Beck. "Dette nye studieområde giver endnu et detaljeringsniveau i detektering af metans dissociationsprodukter."