Tre mikroskoper ser mere end to

Man skal se meget nøje for at forstå, hvilke processer der finder sted på overfladerne af katalysatorer. Faste katalysatorer er ofte fint strukturerede materialer lavet af bittesmå krystaller. Der er forskellige mikroskopier til at overvåge kemiske processer på sådanne overflader - de bruger for eksempel ultraviolet lys, røntgenstråler eller elektroner. Men ingen enkelt metode alene giver et komplet billede.

Det er grunden til, at forskerhold fra TU Wien og Fritz Haber Instituttet i Berlin har udviklet en ny tilgang, der gør det muligt at have "triple eyes" på en katalytisk reaktion - ved hjælp af tre forskellige overflademikroskoper. På denne måde var de i stand til at vise, at under den katalytiske omdannelse af brint og oxygen til vand danner reaktionsfronter på krystaloverfladen ikke kun bemærkelsesværdige geometriske mønstre, men også en ny mekanisme for udbredelsen af ​​disse fronter blev opdaget.

For klimarelevante teknologier såsom økologisk ren brintbaseret energiproduktion er en omfattende forståelse af sådanne processer afgørende.

Forskellige målinger i et enkelt instrument

"Mange videnskabelige spørgsmål kan kun besvares ved at kombinere forskellige mikroskopimetoder på den samme prøve, hvilket kaldes korrelativ mikroskopi," siger prof. Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "Men dette kommer normalt med begrænsninger."

Du skal fjerne en prøve fra et instrument og udføre det samme eksperiment igen i et andet mikroskop. Ofte er de eksperimentelle forhold af metodiske årsager så helt anderledes - nogle målinger foregår i vakuum, andre i luft. Temperaturerne er ofte forskellige. Derudover ser du muligvis ikke på det samme sted på prøven med forskellige instrumenter - dette kan også påvirke resultaterne. Det er således svært at kombinere resultaterne af forskellige målinger på en pålidelig måde.

Ultraviolet, røntgenstråler og elektroner

Nu har det imidlertid været muligt at kombinere tre forskellige mikroskopier på en måde, så den samme plet på den samme prøve blev undersøgt under de samme miljøforhold. Tre forskellige elektronmikroskopier blev brugt:to forskellige varianter af fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM), nemlig UV-PEEM og X-PEEM, og lavenergielektronmikroskopi (LEEM).

I UV-PEEM og X-PEEM belyses prøveoverfladen med henholdsvis ultraviolet lys og røntgenstråler. I begge tilfælde resulterer det i, at elektroner udsendes fra overfladen. På samme måde som lysstråler fokuseres i et optisk mikroskop, danner elektronstrålerne et realtidsbillede af overfladen og af de processer, der finder sted der.

In an X-PEEM, one can additionally filter the emitted electrons according to their energies and thereby determine the chemical composition of the sample surface. Access to the necessary high-energy, high-intensity X-rays was provided to the research team by the Berlin synchrotron (HZB BESSY II). In the LEEM technique, the surface is irradiated with an electron beam. The electrons that are backscattered from the surface create the real time image of the sample surface and of the ongoing processes, such as a catalytic reaction.

Since all three microscopies use different imaging mechanisms, this allowed to study different aspects of catalytic hydrogen oxidation on a structurally identical site of the sample , says Prof. Yuri Suchorski, who has been involved in surface microscopy since 1974. "In addition, the X-PEEM technique provides chemical contrast and therefore allows us to correlate the pattern formation on the surface with the chemical composition of the surface and the reactants present on the surface, hence the term correlative microscopy."

Watching how hydrogen oxidizes to water

Thus, it became possible to study the oxidation of hydrogen on structurally well-defined microscopic regions of a rhodium foil (structure determination by researchers at USTEM of TU Wien) in a versatile way and in real time.

The reaction spreads over the surface like a wave, revealing a new kind of pattern formation that had never been encountered before. "In front of the spreading reaction front, new small islands of catalytically active areas form, accelerating the propagation of the reaction," says Prof. Rupprechter. In computer simulations that provide virtual reaction microscopy, the team was able to model and explain the formation of these islands.

Through the correlative approach, it was now possible to effectively use the specific strength of each of the respective microscopy methods (spatial and energy resolution, field of view, magnification down to the nanometer range), and thus to image an ongoing catalytic reaction in unprecedented detail.

The oxidation of hydrogen to water by solid catalysts is one of the significant processes that enable energy generation without combustion and without pollution (the exhaust gas consists of pure water), e.g., in fuel cells. For future developments of new green energy production technologies, it will be important to watch ongoing catalytic reactions at work with several eyes in order to deeply understand fine details of the catalytic processes.

The research was published in ACS Catalysis . + Udforsk yderligere

Nanoparticles:The complex rhythm of chemistry