Faststofkatalyse:Udsving baner vejen

Brugen af ​​effektive katalytiske midler er det, der gør mange tekniske procedurer mulige i første omgang. Ja, syntese af mere end 80 procent af de produkter, der genereres i den kemiske industri, kræver input af specifikke katalysatorer. De fleste af disse er faststofkatalysatorer, og de reaktioner, de muliggør, foregår mellem molekyler, der adsorberer til deres overflader.

Katalysatorens specifikke egenskaber tillader startmolekylerne at interagere og accelerere reaktionen mellem dem, uden at forbruge eller ændre selve katalysatoren. Imidlertid, effektiv katalyse kræver også effektiv blanding, så reaktanter skal være i stand til at diffundere lateralt på overfladen af ​​katalysatoren for at maksimere chancen for at gennemgå den ønskede reaktion. Under de forhold, der anvendes i industrielle processer, imidlertid, overfladen af ​​katalysatoren er generelt så tæt pakket med adsorberede partikler, at det har været uklart, hvordan molekyler overhovedet effektivt kunne diffundere. Forskere ledet af professor Joost Winterlin ved Institut for Kemi ved Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) har nu vist, at selvom reaktanter faktisk tilbringer tid praktisk talt fanget på overfladen af ​​katalysatoren, lokale udsving i belægningen giver ofte mulighed for at skifte stilling. De nye resultater vises i det førende tidsskrift Videnskab .

For at få indsigt i de molekylære processer, der foregår på en faststofkatalysator, Winterlin og kolleger brugte scanning tunneling mikroskopi (STM) til at overvåge mobiliteten af ​​individuelle oxygenatomer på en ruthenium (Ru) katalysator, der var tæt pakket med adsorberede carbonmonoxid (CO) molekyler. "Vi valgte dette system, fordi oxidationen af ​​CO til CO2 på metaller, der tilhører platingruppen, er en velundersøgt model for faststofkatalyse generelt, Winterlin forklarer. Men, konventionel scanningstunnelmikroskopi ville ikke have været i stand til at fange overfladedynamikken i dette reaktionssystem. Men det lykkedes for holdet at øge hastigheden af ​​dataindsamling, endelig opnå hastigheder på op til 50 billeder i sekundet - høj nok til at lave videoer af dynamikken i partiklerne på katalysatoren.

STM-billederne afslørede, at oxygenatomerne er fuldstændigt omsluttet af trekantede bure dannet af CO-molekyler adsorberet til overfladen af ​​Ru-katalysatoren. Analyse af videoerne viste, at enkelte oxygenatomer kun kan hoppe mellem tre positioner dannet af Ru-atomernes mellemrum. "Men, til vores overraskelse, vi observerede også, at et atom kan flygte fra sit bur, og pludselig begynder at diffundere gennem kuliltematrixen med en hastighed, der er næsten lige så høj, som hvis den var på en helt tom overflade, " siger Ann-Kathrin Henß, første forfatter til forskningsoplægget. I samarbejde med professor Axel Groß fra Institut for Teoretisk Kemi ved Ulm Universitet, München-forskerne var i stand til at forbinde dette fænomen med udsving i den lokale tæthed af CO på overfladen, som giver anledning til områder, hvor molekylerne er mere eller mindre tæt pakket sammen. Når en sådan udsving forekommer i nærheden af ​​et oxygenatom, sidstnævnte kan flygte fra sit bur, og komme til en ny stilling. Faktisk, denne 'døråbningsmekanisme' åbner diffusionsveje så hurtigt, at iltatomernes bevægelse gennem matrixen ikke hæmmes væsentligt. Dette forklarer, hvorfor de næsten altid kan finde en ny bindingspartner til reaktionen lettet af katalysatoren.