Enkelte atomer som katalysatorer

Inkorporering af individuelle metalatomer i en overflade på den rigtige måde gør det muligt at tilpasse deres kemiske adfærd. Dette gør nye, bedre katalysatorer muligt.

De gør vores biler mere miljøvenlige, og de er uundværlige for den kemiske industri:Katalysatorer muliggør visse kemiske reaktioner - såsom omdannelsen af ​​CO til CO ₂ i bilers udstødningsgasser - det ville ellers ske meget langsomt eller slet ikke. Overfladefysikere ved TU Wien har nu opnået et vigtigt gennembrud; metalatomer kan placeres på en metaloxidoverflade, så de viser præcis den ønskede kemiske adfærd. Lovende resultater med iridium-atomer er netop blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Angewandte Chemie .

Mindre og mindre – helt ned til det enkelte atom

For bilers udstødningsgasser, faste katalysatorer såsom platin anvendes. Gassen kommer i kontakt med metaloverfladen, hvor den reagerer med andre gaskomponenter. "Kun det yderste lag af metalatomer kan spille en rolle i denne proces. Gassen kan aldrig nå atomerne inde i metallet, så de er stort set spildt, " siger prof. Gareth Parkinson fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien. Det giver derfor mening at konstruere katalysatoren ikke som en enkelt stor blok af metal, men i form af fine granulat. Dette gør antallet af aktive atomer så højt som muligt. Da mange vigtige katalysatormaterialer (såsom platin, guld eller palladium) er meget dyre, omkostninger er et stort problem.

Årevis, Der er gjort en indsats for at omdanne katalysatorerne til finere og finere partikler. I bedste fald, katalysatoren kunne bestå af individuelle katalysatoratomer, og alle ville være aktive på den helt rigtige måde. Det er lettere sagt end gjort, imidlertid. "Når metalatomer aflejres på en metaloxidoverflade, de har normalt en meget stærk tendens til at klumpe sig sammen og danne nanopartikler, " forklarede Gareth Parkinson.

I stedet for at binde de aktive metalatomer til en overflade, det er også muligt at inkorporere dem i et molekyle med smart udvalgte naboatomer. Molekylerne og reaktanterne opløses derefter i en væske, og de kemiske reaktioner sker der.

Begge varianter har fordele og ulemper. Faste metalkatalysatorer har en højere gennemstrømning, og kan køres i kontinuerlig drift. Med flydende katalysatorer, på den anden side, det er lettere at skræddersy molekylerne efter behov, men produktet og katalysatoren skal adskilles igen bagefter.

Det bedste fra begge verdener

Parkinsons team på TU Wien har arbejdet på at kombinere fordelene ved begge varianter:"I årevis har vi arbejdet på at behandle metaloxidoverflader på en kontrolleret måde og afbilde dem under mikroskop, " siger Gareth Parkinson. "Takket være denne oplevelse, vi er nu et af få laboratorier i verden, der kan inkorporere metalatomer i en fast overflade på en veldefineret måde."

På nogenlunde samme måde som flydende katalysatormolekyler er designet, det er ved at blive muligt at vælge de naboatomer i overfladen, der ville være de mest gunstige ud fra et kemisk synspunkt - og specielle overfladefysiske tricks gør det muligt at inkorporere dem i en fast matrix på en speciel jernoxidoverflade. Dette kan bruges, for eksempel, at omdanne kulilte til kuldioxid.

Optimal kontrol

"Enkeltatomkatalyse er en ny, yderst lovende forskningsfelt, " siger Gareth Parkinson. "Der har allerede været spændende målinger med sådanne katalysatorer, men indtil videre vidste man ikke rigtig, hvorfor de fungerede så godt. Nu, for første gang, vi har fuld kontrol over overfladens atomare egenskaber og kan tydeligt bevise dette ved hjælp af billeder fra elektronmikroskopet."