Forskere observerer funktionsprincippet for promotorer i en katalytisk reaktion i realtid

For første gang har forskere ved TU Wien med succes observeret funktionsprincippet for såkaldte "promotorer" i en katalytisk reaktion i realtid. Disse promotorer spiller en vigtig rolle inden for teknologi, men indtil videre er der kun begrænset forståelse for, hvordan de fungerer.

Katalysatorer er afgørende for adskillige kemiske teknologier, lige fra udstødningsgasrensning til produktion af værdifulde kemikalier og energibærere. Ofte bruges små spor af yderligere stoffer sammen med katalysatorer for at gøre dem yderst effektive. Disse stoffer omtales som "promotorer". Mens de spiller en afgørende rolle inden for teknologi, har de været notorisk svære at studere.

I de fleste tilfælde har det været en trial-and-error-proces at bestemme, hvilken mængde promotorer, der har hvilke virkninger på en katalysator. Forskere ved TU Wien har imidlertid formået direkte at observere lanthan-promotorers rolle i hydrogenoxidation.

Ved hjælp af højteknologiske mikroskopimetoder visualiserede de individuelle La-atomers rolle. Deres undersøgelse afslørede, at to overfladeområder af katalysatoren fungerer som pacemakere, svarende til dirigenter i et orkester. Promotoren spiller en afgørende rolle i deres interaktion og kontrollerer pacemakerne. Resultaterne af denne undersøgelse er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Se reaktionen live

"Mange kemiske processer bruger katalysatorer i form af bittesmå nanopartikler," siger prof. Günther Rupprechter fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. Mens ydeevnen af ​​katalysatorer let kan bestemmes gennem analyse af produkter, kan mikroskopisk indsigt ikke opnås ved at følge denne tilgang.

Dette har ændret sig nu. Gennem flere år har Günther Rupprechter og hans team udviklet sofistikerede metoder, der gør det muligt direkte at observere individuelle nanopartikler under en kemisk reaktion. Dette gør det muligt at se, hvordan aktiviteten ændrer sig forskellige steder på disse nanopartikler i løbet af reaktionen.

"Vi bruger rhodium nanospidser, der opfører sig som nanopartikler," siger Günther Rupprechter. "De kan tjene som katalysatorer, for eksempel når brint og oxygen kombineres for at danne vandmolekyler - den reaktion, vi undersøger i detaljer."

Svinger mellem 'aktiv' og 'inaktiv'

I de seneste år har TU Wien-teamet allerede demonstreret, at forskellige områder af nanopartikeloverflader udviser forskellig adfærd:de svinger mellem en aktiv og en inaktiv tilstand. Nogle gange forekommer den ønskede kemiske reaktion på bestemte steder, mens den på andre tidspunkter ikke sker.

Ved hjælp af dedikerede mikroskoper er det blevet vist, at forskellige sådanne svingninger forekommer på hver nanopartikel parallelt, og de påvirker alle hinanden. Visse områder af nanopartikeloverfladen, ofte kun nogle få atomdiametre brede, spiller en mere betydningsfuld rolle end andre:de fungerer som yderst effektive "pacemakere" og kontrollerer endda de kemiske svingninger i andre regioner.

Promotorer kan nu blande sig i denne pacemakeradfærd, og det er netop, hvad metoderne udviklet på TU Wien har givet forskere mulighed for at undersøge. Når rhodium bruges som katalysator, kan lanthan tjene som en promotor for katalytiske reaktioner. Individuelle lanthanatomer blev placeret på den lille overflade af en rhodiumnanopartikel. Den samme partikel blev undersøgt både i nærvær og fravær af promotoren. Denne tilgang afslørede i detaljer den specifikke effekt af individuelle lanthanatomer på forløbet af den kemiske reaktion.

Lanthanum ændrer alt

Maximilian Raab, Johannes Zeininger og Carla Weigl har udført forsøgene. "Forskellen er enorm," siger Maximilian Raab. "Et lanthanatom kan binde ilt, og det ændrer dynamikken i den katalytiske reaktion." Den lille mængde lanthan ændrer koblingen mellem forskellige områder af nanopartiklerne.

"Lanthan kan selektivt deaktivere visse pacemakere," forklarer Johannes Zeininger. "Forestil dig et orkester med to dirigenter – vi ville høre ret kompleks musik. Promotoren sikrer, at der kun er én pacemaker tilbage, hvilket gør situationen enklere og mere ordnet."

Ud over målingerne udviklede holdet, støttet af Alexander Genest og Yuri Suchorski, en matematisk model til at simulere koblingen mellem nanopartiklernes individuelle områder. Denne tilgang tilbyder en mere kraftfuld måde at beskrive kemisk katalyse end før:ikke kun baseret på input og output, men i en kompleks model, der overvejer, hvordan forskellige områder af katalysatoren skifter mellem aktivitet og inaktivitet og, styret af promotorer, gensidigt påvirker hinanden .

Flere oplysninger: Maximilian Raab et al., Lanthanum-modulerede reaktionspacemakere på en enkelt katalytisk nanopartikel, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Vienna University of Technology