Enkelte atomer som katalysator

Årevis, metalnanopartiklerne brugt i katalysatorer er blevet mindre og mindre. Nu, et forskerhold ved TU Wien i Wien, Østrig har vist, at alt pludselig er anderledes, når man kommer til den mindst mulige størrelse:et enkelt atom.

Metaller som guld eller platin bruges ofte som katalysatorer. I køretøjers katalysatorer, for eksempel, platinnanopartikler omdanner giftig kulilte til ikke-giftig CO ₂ . Fordi platin og andre katalytisk aktive metaller er dyre og sjældne, de involverede nanopartikler er blevet gjort mindre og mindre med tiden.

Enkeltatomkatalysatorer er det logiske slutpunkt for denne nedskæring:Metallet er ikke længere til stede som partikler, men som individuelle atomer, der er forankret på overfladen af ​​et billigere bæremateriale. Individuelle atomer kan ikke længere beskrives ved hjælp af reglerne udviklet fra større metalstykker, så reglerne, der bruges til at forudsige, hvilke metaller der vil være gode katalysatorer, skal revideres - det er nu opnået på TU Wien. Det viser sig, enkelt atom katalysatorer baseret på meget billigere materialer kan være endnu mere effektive. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Mindre er nogle gange bedre

Kun de ydre atomer af metalstykket kan spille en rolle i kemiske processer - trods alt, atomerne indeni kommer aldrig i kontakt med miljøet. For at spare materiale, det er derfor bedst at bruge små metalpartikler i stedet for store klumper, så en større del af atomerne opholder sig ved overfladen. Hvis vi går til den ultimative grænse og bruger individuelle atomer, hvert enkelt atom er kemisk aktivt. I løbet af det sidste årti er feltet "enkelt atom" -katalyse vokset dramatisk, opnår stor succes.

Forkert model, rigtige løsning

"Årsagerne til, at nogle ædelmetaller er gode katalysatorer, blev allerede undersøgt i 1970'erne, " siger prof. Gareth Parkinson fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien. "F.eks. Gerhard Ertl blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2007 for at give indsigt i atomskala i katalyse. "

I et stykke metal, en elektron kan ikke længere tildeles et specifikt atom; de elektroniske tilstande er et resultat af samspillet mellem mange atomer. "For individuelle atomer, de gamle modeller er ikke længere anvendelige "siger Gareth Parkinson." Individuelle atomer deler ikke elektroner som et metal, så elektronbåndene, hvis energi var nøglen til at forklare katalyse, eksisterer simpelthen ikke i dette tilfælde."

Gareth Parkinson og hans team har derfor intensivt undersøgt de atomare mekanismer bag denne enkeltatom-katalyse i de seneste år. "I mange tilfælde forbliver de metaller, som vi tænker på som gode katalysatorer, gode katalysatorer i form af individuelle atomer," siger Gareth Parkinson. "I begge tilfælde er det de samme elektroner, de såkaldte d-elektroner, der er ansvarlige for dette."

Tilpassede ejendomme gennem skræddersyede overflader

Der opstår helt nye muligheder inden for enkeltatom-katalyse, som ikke er tilgængelige ved brug af almindelige metalpartikler:"Afhængig af overfladen, hvorpå vi placerer metalatomerne, og hvilke atombindinger de danner, vi kan ændre atomernes reaktivitet, " forklarer Parkinson.

I nogle tilfælde, særligt dyre metaller som platin er ikke længere nødvendigvis det bedste valg. "Individuelle nikkelatomer viser et stort løfte for carbonmonoxidoxidation. Hvis vi forstår de atomare mekanismer af enkeltatoms katalyse, vi har meget mere spillerum til at påvirke de kemiske processer, siger Parkinson.

Otte forskellige metaller blev præcist analyseret på denne måde på TU Wien - resultaterne passede perfekt til de teoretiske modeller, der nu er blevet udviklet i et samarbejde med professor Cesare Franchini ved Wiens universitet.

"Katalysatorer er meget vigtige på mange områder, især når det kommer til kemiske reaktioner, der spiller en stor rolle i forsøg på at udvikle en vedvarende energiøkonomi, " understreger Gareth Parkinson. "Vores nye tilgang viser, at det ikke altid behøver at være platin." Den afgørende faktor er atomernes lokale miljø - og hvis du vælger det rigtigt, du kan udvikle bedre katalysatorer og samtidig spare ressourcer og omkostninger.