Anisotropi af overfladeoxiddannelse påvirker den forbigående aktivitet af en overfladereaktion

Metaloverflader spiller en rolle som katalysatorer for mange vigtige anvendelser - fra brændselsceller til rensning af bilers udstødningsgasser. Imidlertid, deres adfærd er afgørende påvirket af iltatomer inkorporeret i overfladen.

Dette fænomen har været kendt i lang tid, men indtil nu har det ikke været muligt præcist at undersøge iltens rolle i komplekse overflader punkt for punkt for at forstå den kemiske baggrund på atomniveau. Dette er nu opnået på TU Wien i samarbejde med et team fra Elettra Synchrotron i Trieste. Det blev muligt at forklare, hvorfor der i tidligere undersøgelser var opnået delvist modstridende resultater:iltatomerne er ikke jævnt fordelt, men slår sig særligt let ned på helt bestemte steder.

Præcisionsmålinger i stedet for gennemsnitsværdier

"Det er en stor udfordring at undersøge en metaloverflade direkte under katalyse, " siger prof. Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "Du kan, selvfølgelig, Sæt hele katalysatoren i en reaktor og mål præcis, hvilke kemiske produkter der produceres - men du får kun en gennemsnitsværdi. Du kan ikke vide, hvilke steder på katalysatoren, der bidrog til den kemiske reaktion og på hvilken måde."

En anden mulighed er ikke at bruge en rigtig katalysator, men en simpel, meget rent, idealiseret stykke af det - såsom en lille enkelt krystal, med velkendte egenskaber, som du så kan studere under mikroskopet. I dette tilfælde, du bliver præcis, reproducerbare resultater, men de har ikke meget med praktiske anvendelser at gøre.

Forskergruppen ledet af Günther Rupprechter og Yuri Suchorski kombinerede derfor fordelene ved begge tilgange. De bruger tynde folier lavet af rhodium, som består af små korn. På hvert korn, overfladeatomerne kan være arrangeret forskelligt. I ét korn, de danner en glat, regelmæssig overflade med de ydre atomer alle i nøjagtig samme plan; ved siden af, atomerne kan arrangere sig selv til at danne en mere kompliceret struktur bestående af mange atomare trin.

De foretrukne steder for oxygenatomer

Det er netop disse trin, der viser sig at være afgørende. "For den katalytiske aktivitet, oxidationstilstanden af ​​katalysatoren spiller en central rolle - dvs. om ilt binder sig til metalatomerne eller ej, " siger Philipp Winkler, avisens første forfatter. "I tidligere eksperimenter, vi fandt ud af, at vi ofte havde at gøre med en bestemt tilstand mellem 'oxideret' og 'ikke oxideret' - en situation, der er svær at fortolke."

Imidlertid, dette kan forstås, når man indser, at ikke hvert korn af rhodiumfolien oxideres i samme grad. Oxidationen starter fortrinsvis ved hjørner, kanter og trin - der er det særligt nemt for iltatomerne at binde sig til overfladen. Derfor, forskellige korn med forskellige overfladestrukturer oxideres i forskellig grad.

Elektronmikroskop og synkrotron i Trieste

Dette kunne studeres ved hjælp af en kombination af højt udviklede teknologier:"I et specielt elektronmikroskop, prøven bestråles med UV-lys under den katalytiske reaktion, og den resulterende elektronemission registreres med mikrometer rumlig opløsning, " forklarer Yuri Suchorski, "det giver os mulighed for at bestemme præcist, hvilke korn af rhodiumfolien der er særligt katalytisk aktive. Den samme prøve undersøges derefter igen med et helt andet mikroskop:korn for korn med røntgenstråler ved synkrotronen, opnåelse af meget præcis information om prøvens overfladeoxidation."

Hvis du kombinerer begge resultater, du kan bestemme præcis hvilken kemisk adfærd der er karakteristisk for bestemte strukturer. Den vigtigste fordel:Det er muligt at undersøge hele rhodiumfolien, der indeholder hundredvis af forskellige korn i et enkelt eksperiment. I stedet for at studere små enkeltkrystaller hver for sig, en prøve, der indeholder mange forskellige strukturer, der bruges til katalyse, studeres under virkelige forhold, og information om egenskaberne af disse strukturer opnås på én gang.

"Dette er et vigtigt skridt i katalyseforskningen, " siger Rupprechter. "Vi behøver nu ikke længere nøjes med blot at måle en gennemsnitsværdi, der utilstrækkeligt beskriver hele prøven, men vi kan virkelig forstå i detaljer, hvilke atomare strukturer, der udviser hvilke virkninger. Dette vil også gøre det muligt specifikt at forbedre vigtige katalysatorer, der er nødvendige til mange anvendelser inden for energi- og miljøteknologi."