Defekter på overfladen af ​​katalysatorer bestemmer deres aktivitet

Mange tekniske processer, herunder kemisk produktion, rensning af udstødningsgas og kemisk lagring af solenergi ville ikke være mulig uden katalysatorer. I den kemiske industri, langt de fleste producerede produkter kommer i kontakt med mindst én heterogen katalysator. Sådanne katalysatorer er faste stoffer, på hvis overflader gasformige stoffer adsorberer og reagerer. Katalysatoren muliggør eller accelererer deres reaktion for at producere produktet uden at ændre sig selv. I denne proces, der er stadig mange ubesvarede spørgsmål, såsom hvor på katalysatoren processen rent faktisk finder sted. Kemiforskere omkring professor Joost Winterlin fra Kemisk Institut på LMU viser, at trin på katalysatoroverfladen spiller en afgørende rolle. De rapporterer om deres resultater i journalen Naturkatalyse .

I mange heterogent katalyserede reaktioner, der er indirekte tegn på, at ikke hele katalysatoroverfladen er aktiv, men kun i områder med defekter, såsom hjørnerne og kanterne af katalysatorpartiklerne, og ikke de glatte overflader imellem. "Imidlertid, det har endnu ikke været muligt direkte at vise, om disse områder virkelig er de aktive centre, fordi det er meget vanskeligt at analysere de kemiske processer på overfladen under reaktionsbetingelser, dvs. ved gastryk på flere bar og ved forhøjede temperaturer, " siger Winterlin.

Winterlin og hans team har i nogen tid arbejdet på udviklingen af ​​et særligt scanning tunnelmikroskop, med hvilket katalytiske reaktioner på overflader kan undersøges under forhold tæt på dem, der anvendes i industrien. I stedet for katalysatorpartiklerne, som ofte kun er nogle få nanometer store, forskerne bruger krystaller, der er flere millimeter store. I det nu offentliggjorte værk, forskerne bestemte også dannelsen af ​​de katalytiske reaktionsprodukter på den samme prøve under de samme betingelser. "Dette er den eneste måde at detektere korrelationer mellem de strukturelle elementer af overfladen vist under mikroskopet og den katalytiske aktivitet, " siger Winterlin. "Denne kombination gør eksperimentet særligt vanskeligt." En specialudviklet gaskromatograf, hvormed ekstremt lave produktkoncentrationer kan påvises, endelig førte til succes.

Som et eksempel på deres analyse, forskerne valgte Fischer-Tropsch-syntesen, en storstilet proces, hvor flydende kulbrinter såsom syntetisk diesel fremstilles af syntesegas på en koboltkatalysator. For dette system, forskerne var i stand til at vise, at prøvens katalytiske aktivitet steg, jo flere atomare trin der var på overfladen af ​​den koboltkrystal, der blev brugt som katalysator. Trinene er forårsaget af det faktum, at krystallens atomlag på overfladen er ufuldstændige. På det punkt, hvor et lag slutter, et trin til næste lag oprettes. Sådanne trin findes også på overfladerne af de små koboltpartikler i den industrielle katalysator, og dets aktivitet kunne forudsiges kvantitativt med data fra modelkatalysatoren. "Dette er det første direkte bevis på, at disse atomare trin er de aktive centre for katalysatoren, " siger Winterlin. Forskerne håber, at disse resultater kan bidrage til udviklingen af ​​mere effektive katalysatorer.