Udforsker monoatomiske platinkatalysatorer

Hvad sker der, når en kat klatrer op på en solsikke? Solsikken er ustabil, vil hurtigt bøje sig, og katten falder til jorden. Men hvis katten kun har brug for et hurtigt boost for at fange en fugl derfra, så kan solsikken fungere som et "metastabilt mellemtrin." Dette er i det væsentlige den mekanisme, hvorved individuelle atomer i en katalysator fanger molekyler for kemisk at omdanne dem.

For flere år siden opdagede Wiens teknologiske overfladefysikgruppe, at platin-"enkeltatoms"-katalysatorer kunne oxidere kulilte ved temperaturer, som ifølge deres teoretiske modeller ikke burde have været mulige. Nu har de ved hjælp af mikroskopbilleder i atomskala og komplekse computersimuleringer været i stand til at vise, at både selve katalysatoren og materialet, hvorpå den er forankret, antager energetisk ugunstige "metastabile" tilstande i kort tid for at tillade reaktionen at ske på en særlig måde. Resultaterne er blevet publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Enkelte atomer som katalysatorer

Forskergruppen af ​​prof. Gareth Parkinson ved Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien undersøger de mindst mulige katalysatorer:Individuelle platinatomer placeres på en jernoxidoverflade. De kommer derefter i kontakt med kuliltegas og omdannes til kuldioxid, som det sker i en moderne bils udstødning.

"Denne proces er teknisk meget vigtig, men præcis, hvad der sker, når katalysatoren reduceres i størrelse til enkeltatomgrænsen, har ikke været klart indtil nu," siger Gareth Parkinson. "I vores forskergruppe studerer vi sådanne processer på en række måder:På den ene side bruger vi et scanning tunneling mikroskop til at producere ekstremt højopløselige billeder, hvorpå man kan studere individuelle atomers bevægelse. Og på den anden side , analyserer vi reaktionsprocessen med spektroskopi og computersimuleringer."

Hvorvidt platinatomerne er aktive som katalysator afhænger af temperaturen. I forsøget opvarmes katalysatoren langsomt og jævnt, indtil den kritiske temperatur er nået, og kulilte omdannes til kuldioxid. Den tærskel er omkring 550 Kelvin. "Dette passede dog ikke til vores originale computersimuleringer," siger Matthias Meier, førsteforfatter til den aktuelle publikation. "Ifølge tæthedsfunktionel teori, som normalt bruges til sådanne beregninger, kunne processen kun finde sted ved 800 Kelvin. Så vi vidste:Noget vigtigt var blevet overset her indtil nu."

En metastabil tilstand:Kortvarig, men vigtig

I flere år har holdet samlet stor erfaring med de samme materialer i andre reaktioner, og som følge heraf opstod et nyt billede trin for trin. "Med tæthedsfunktionel teori beregner man normalt den tilstand af systemet, der har den laveste energi," siger Matthias Meier. "Det giver mening, for det er den tilstand, som systemet oftest antager. Men i vores tilfælde er der en anden tilstand, der spiller en central rolle:En såkaldt metastabil tilstand."

Både platinatomerne og jernoxidoverfladen kan skifte frem og tilbage mellem forskellige kvantefysiske tilstande. Grundtilstanden, med den laveste energi, er stabil. Når systemet skifter til den metastabile tilstand, vender det uundgåeligt tilbage til grundtilstanden efter kort tid - ligesom katten forsøger at komme til toppen på en ustabil klatrestang. Men i den katalytiske omdannelse af kulilte er det nok, at systemet er i metastabil tilstand i meget kort tid:Ligesom et kort øjeblik i en vaklende klatretilstand kan være nok for katten at fange en fugl med poten , kan katalysatoren omdanne carbonmonoxid i metastabil tilstand.

Når carbonmonoxidet først indføres, bindes to platinatomer sammen for at danne en dimer. Når temperaturen er høj nok, kan dimeren bevæge sig til en mindre gunstig position, hvor overfladens iltatomer er mindre svagt bundet. I den metastabile tilstand ændrer jernoxidet sin atomare struktur præcis på dette tidspunkt, og frigiver det oxygenatom, som carbonoxidet har brug for for at danne carbondioxid, som øjeblikkeligt flyver væk - og fuldender katalyseprocessen. "Hvis vi medtager disse tidligere uforudsete kortsigtede tilstande i vores computersimulering, får vi præcis det resultat, der også blev målt i eksperimentet," siger Matthias Meier.

"Vores forskningsresultat viser, at man i overfladefysik ofte har brug for en masse erfaring," siger Gareth Parkinson. "Hvis vi ikke havde studeret meget forskellige kemiske processer gennem årene, ville vi sandsynligvis aldrig have løst dette puslespil." På det seneste er kunstig intelligens også blevet brugt med stor succes til at analysere kvantekemiske processer – men i dette tilfælde er Parkinson overbevist om, at det sandsynligvis ikke ville have været en succes. For at komme med kreative løsninger uden for det, man tidligere troede var muligt, har man nok trods alt brug for mennesker. + Udforsk yderligere

Enkelte atomer som katalysatorer