Kemiske bølger guider til fremtidens katalysatorer

Spektakulære elektronmikroskopbilleder på TU Wien fører til vigtige fund:Kemiske reaktioner kan producere spirallignende multi-frekvensbølger og dermed give lokal information om katalysatorer.

De virker næsten hypnotiske, som en lavalampe. Bølgerne, der blev gjort synlige på TU Wien ved hjælp af et fotoemissionselektronmikroskop, dækker overfladen af ​​rhodiumfolie med bizarre mønstre, som danser rundt på overfladen.

Bølger kendes i mange vidt forskellige former; som vandbølger, lysbølger eller lydbølger. Men her har vi at gøre med noget helt andet – kemiske bølger. En kemisk reaktion finder sted på overfladen af ​​en krystal, men dette går ikke kun i én retning:i stedet, den vender periodisk tilbage til sin oprindelige tilstand. Afhængigt af fasen af ​​denne cyklisk fremadskridende reaktion, overfladen af ​​rhodiumkrystallen fremstår som lys eller mørk under fotoemissionselektronmikroskopet. Dette skaber et bevægeligt bølgemønster. Gennembrudsresultatet var at observere denne effekt samtidigt på forskellige mikroskopisk små korn af en polykrystallinsk katalysator. Fascinerende spiralstrukturer dannes der, hvis bevægelse giver os mulighed for at indsamle information om de enkelte krystalkorns egenskaber.

kaniner, ræve og krystaller

Typisk, man forestiller sig en kemisk reaktion som denne:fra specifikke initiale reaktanter opnår man specifikke slutprodukter. Men det behøver ikke at være så enkelt som det. Selvbærende svingninger kan forekomme, dvs. periodiske ændringer mellem to forskellige tilstande, " forklarer professor Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. Dette er kendt fra vidt forskellige videnskabelige discipliner, såsom jæger-bytte-modeller. Når ræve spiser kaniner i en sådan grad, at der næsten ikke er nogen kaniner tilbage, rævene sulter og deres antal falder, og som følge heraf kommer kaninbestanden sig. Lignende mønstre forekommer i ejendomspriserne; eller endda i kemiske reaktioner.

Holdet på TU Wien studerer oxidation af brint, grundlaget for enhver brændselscelle. Disse undersøgelser involverer at udsætte rhodiumoverflader for en atmosfære af oxygen og brint. Til at begynde med adsorberes oxygenmolekyler (O2) på overfladen, hvor de dissocieres til oxygenatomer. De enkelte iltatomer kan derefter diffundere ind i krystallen og danne et tyndt lag ilt under det ydre rhodiumlag. Imidlertid, dette reducerer overfladens evne til at binde ilt. I stigende grad, brint er bundet i stedet, som derefter reagerer og danner vand med den tidligere adsorberede ilt. Vandet forlader overfladen igen, på et tidspunkt er antallet af oxygenatomer vendt tilbage til det oprindelige lave niveau, og hele processen starter igen fra begyndelsen.

Forskellige vinkler, forskellig frekvens

"Sådanne oscillerende reaktioner var allerede blevet studeret af nobelprisvinderen Gerhard Ertl, " forklarer professor Yuri Suchorski, avisens første forfatter, WHO, ligesom professor Rupprechter, arbejdet på professor Ertls Berlin Institute, inden han flyttede til TU Wien. "Men nu har vi taget et vigtigt skridt videre:vi har formået at opnå en tilstand af adskillige svingninger af forskellige frekvenser, der sker samtidigt på forskellige korn af den polykrystallinske overflade." Disse forskellige korn udviser krystalgitter, som er orienteret i forskellige vinkler i forhold til overfladen.

Disse vinkler spiller en afgørende rolle:Det geometriske arrangement af atomer på overfladen af ​​en krystal er afhængig af den retning, den skæres i. Dette bestemmer også den frekvens, hvormed den kemiske reaktion gennemgår cykliske svingninger.

På en polykrystallinsk overflade, der er så forskellige regioner, hvor den cykliske proces foregår med forskellige frekvenser. Det er netop denne effekt, der skaber de fascinerende bølgemønstre. Når en kemisk bølge bevæger sig hen over overfladen og passerer fra kanten af ​​et krystalkorn til et andet, det fremskynder eller bremser, ligner lys, der passerer fra luften til vandet.. Dette ændrer de komplekse spiralbølgestrukturer i overensstemmelse med den særlige orientering af kornoverfladen. "Vi kan så lære meget om materialet fra disse strukturer, " siger Günther Rupprechter. "Vi kan med et øjeblik opdage, hvilke områder af vores overflade der har overlegne katalytiske egenskaber."

På vej mod fremtidens brintenergi

Det er nødvendigt at lære mere om den katalytiske oxidation af brint. "For brændselsceller, fremtidens mobile energikilder, hvis eneste udstødningsgas består af rent vand, vi har brug for nye materialer, som hjælper til katalytisk forbrænding af brint. Men som før, disse processer er endnu ikke fuldt ud forstået" siger professor Yuri Suchorski. "Der er stadig mange åbne spørgsmål her, og nu har vi en ny, meget elegant måde at undersøge dem nærmere på."