Hvor sure er atomer?

Graden af ​​surhed eller alkalinitet af et stof er afgørende for dets kemiske adfærd. Den afgørende faktor er den såkaldte protonaffinitet, hvilket angiver, hvor let en enhed accepterer eller frigiver en enkelt proton. Selvom det er let at måle dette for molekyler, det har ikke været muligt for overflader. Dette er vigtigt, fordi atomer på overflader har meget forskellige protonaffiniteter, alt efter hvor de sidder. Det er nu lykkedes forskere ved TU Wien at gøre denne vigtige fysiske mængde eksperimentelt tilgængelig for første gang:Ved hjælp af et specielt modificeret atomkraftmikroskop, det er muligt at studere protonaffiniteten af ​​individuelle atomer. Dette skulle hjælpe med at analysere katalysatorer i atomskala. Resultaterne er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Præcision i stedet for gennemsnit

"Alle tidligere målinger af overfladesyre havde en alvorlig ulempe, "siger professor Ulrike Diebold fra Institute of Applied Physics ved TU Wien." Selvom overfladeatomer opfører sig kemisk anderledes, man kunne kun nogensinde måle gennemsnitsværdien. "

Det vides således ikke, hvilke atomer der bidrog til kemiske reaktioner, og i hvilket omfang hvilket gør det umuligt at justere overfladens atomskala for at favorisere visse kemiske reaktioner. Men det er præcis, hvad der er nødvendigt, for eksempel, når man leder efter mere effektive katalysatorer til brintproduktion.

"Vi analyserede overflader lavet af indiumoxid. De er særligt interessante, fordi der er fem forskellige typer OH -grupper med forskellige egenskaber på overfladen, "siger Margareta Wagner, der udførte disse målinger i prof. Diebolds laboratorium.

Med et specielt trick var det muligt at studere disse OH -grupper individuelt:Forskerne placerede en enkelt OH -gruppe på spidsen af ​​et atomkraftmikroskop. Denne spids blev derefter placeret specifikt over et bestemt atom på overfladen. En kraft virker derefter mellem OH -gruppen på spidsen og OH -gruppen direkte under den på indiumoxidoverfladen, og denne kraft afhænger følsomt af afstanden mellem dem.

"Vi varierer afstanden mellem spidsen og overfladen og måler, hvordan dette ændrer kraften, "forklarer Margareta Wagner." Dette giver os en karakteristisk kraftkurve for hver OH -gruppe på overfladen af ​​et materiale. "Formen på denne kraftkurve giver information om, hvor godt de respektive iltatomer på indiumoxidoverfladen holder deres protoner - eller hvor let vil de frigive dem.

For at opnå en faktisk værdi for protonaffiniteten, teoretisk arbejde var nødvendigt. Dette blev udført af Bernd Meyer ved Friedrich-Alexander-universitetet Erlangen-Nürnberg, Tyskland. I detaljerede computersimuleringer var det muligt at vise, hvordan atomkraftmikroskopets kraftkurve på en enkel og præcis måde kan oversættes til de mængder, der er nødvendige i kemi.

Nanostruktur bestemmer kvaliteten af ​​katalysatorer

"Dette er ganske afgørende for den videre udvikling af katalysatorer, "siger Bernd Meyer." Vi ved, at atomer af samme type opfører sig ganske forskelligt afhængigt af deres atomiske naboer og den måde, de er inkorporeret i overfladen på. "F.eks. det kan gøre en stor forskel, om overfladen er helt glat eller har trin i atomskala. Atomer med et mindre antal naboer sidder ved sådanne trinkanter, og de kan potentielt forbedre eller forværre kemiske reaktioner.

"Med vores funktionaliserede scanningskraftmikroskopspids, vi kan nu præcist undersøge sådanne spørgsmål for første gang, "siger Ulrike Diebold." Det betyder, at vi ikke længere skal stole på forsøg og fejl, men kan præcist forstå og forbedre overfladernes kemiske egenskaber. "