Nanopartikler:Kemiens komplekse rytme

De fleste kommercielle kemikalier fremstilles ved hjælp af katalysatorer. Som regel, disse katalysatorer består af bittesmå metal nanopartikler, der er placeret på en oxidisk understøtning. Svarende til en slebet diamant, hvis overflade består af facetter orienteret i forskellige retninger, en katalytisk nanopartikel besidder også krystallografisk forskellige facetter - og disse facetter kan have forskellige kemiske egenskaber.

Indtil nu, disse forskelle har ofte været uovervejede i katalyseforskningen, fordi det er meget vanskeligt samtidig at få information om selve den kemiske reaktion og om katalysatorens overfladestruktur. På TU Wien (Wien), dette er nu opnået ved at kombinere forskellige mikroskopiske metoder:Ved hjælp af feltelektronmikroskopi og feltionmikroskopi, blev det muligt at visualisere oxidationen af ​​brint på en enkelt rhodiumnanopartikel i realtid ved nanometeropløsning. Dette afslørede overraskende effekter, som skal tages i betragtning i søgningen efter bedre katalysatorer i fremtiden. Resultaterne er nu blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Videnskab .

Rytmen af ​​kemiske reaktioner

"I visse kemiske reaktioner, en katalysator kan periodisk skifte frem og tilbage mellem en aktiv og en inaktiv tilstand, " siger prof. Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "Selvbærende kemiske svingninger kan forekomme mellem de to stater - kemikeren Gerhard Ertl modtog Nobelprisen i kemi for denne opdagelse i 2007."

Dette er også tilfældet med rhodium nanopartikler, som bruges som katalysator for brintoxidation - grundlaget for hver brændselscelle. Under visse betingelser, nanopartiklerne kan svinge mellem en tilstand, hvor iltmolekyler dissocierer på partiklens overflade, og en tilstand, hvor brint er bundet.

Indbygget ilt ændrer overfladeadfærden

"Når en rhodiumpartikel udsættes for en atmosfære af oxygen og brint, iltmolekylerne opdeles i individuelle atomer ved rhodiumoverfladen. Disse iltatomer kan derefter migrere under det øverste rhodiumlag og akkumulere som ilt under overfladen der, " forklarer prof. Yuri Suchorski, undersøgelsens første forfatter.

Gennem interaktion med brint, disse lagrede iltatomer kan derefter bringes ud igen og reagere med brintatomer. Derefter, der er igen plads til flere iltatomer inde i rhodiumpartiklen og cyklussen starter igen. "Denne feedback-mekanisme styrer frekvensen af ​​oscillationerne, " siger Yuri Suchorski.

Indtil nu, man troede, at disse kemiske svingninger altid fandt sted synkront i samme rytme over hele nanopartiklerne. Trods alt, de kemiske processer på de forskellige facetter af nanopartikeloverfladen er rumligt koblet, da brintatomerne let kan migrere fra en facet til de tilstødende facetter.

Imidlertid, resultaterne af forskergruppen af ​​prof. Günther Rupprechter og prof. Yuri Suchorski viser, at tingene faktisk er meget mere komplekse:Under visse betingelser, den rumlige kobling løftes, og tilstødende facetter svinger pludselig med væsentligt forskellige frekvenser - og i nogle områder af nanopartiklerne, disse oscillerende "kemiske bølger" forplanter sig slet ikke.

"Dette kan forklares på atomær skala, " siger Yuri Suchorski. "Under påvirkning af ilt, udragende rækker af rhodiumatomer kan dukke op fra en glat overflade." Disse rækker af atomer kan så fungere som en slags "bølgebryder" og hæmme migrationen af ​​brintatomer fra en facet til en anden - facetterne bliver afkoblet.

Hvis dette er tilfældet, de enkelte facetter kan danne svingninger af forskellige frekvenser. "På forskellige facetter, rhodium atomerne er arrangeret forskelligt på overfladen, " siger Günther Rupprechter. "Det er derfor, at inkorporeringen af ​​ilt under de forskellige facetter af rhodiumpartiklen også forløber med forskellige hastigheder, og så oscillationer med forskellige frekvenser resulterer i krystallografisk forskellige facetter."

En halvkuglespids som en nanopartikelmodel

Nøglen til at optrevle denne komplekse kemiske adfærd ligger i at bruge en fin rhodiumspids som model for en katalytisk nanopartikel. Et elektrisk felt påføres, and due to the quantum mechanical tunneling effect, electrons can leave the tip. These electrons are accelerated in the electric field and hit a screen, where a projection image of the tip is then created with a resolution of around 2 nanometers.

In contrast to scanning microscopies, where the surface sites are scanned one after the other, such parallel imaging visualizes all surface atoms simultaneously—otherwise it would not be possible to monitor the synchronization and desynchronization of the oscillations.

The new insights into the interaction of individual facets of a nanoparticle can now lead to more effective catalysts and provide deep atomic insights into mechanisms of non-linear reaction kinetics, pattern formation and spatial coupling.