Spectaculaire elektronenmicroscoopbeelden aan de TU Wien leiden tot belangrijke bevindingen:Chemische reacties kunnen spiraalvormige multifrequentiegolven produceren en zo lokale informatie over katalysatoren opleveren.

Ze lijken bijna hypnotiserend, als een lavalamp. De golven die aan de TU Wien zichtbaar zijn gemaakt met een foto-emissie-elektronenmicroscoop, bedekken het oppervlak van rhodiumfolie met bizarre patronen die op het oppervlak ronddansen.

Golven zijn bekend in veel zeer verschillende vormen; als watergolven, lichtgolven of geluidsgolven. Maar hier hebben we te maken met iets heel anders:chemische golven. Op het oppervlak van een kristal vindt een chemische reactie plaats, maar dit gaat niet slechts in één richting:in plaats daarvan, het keert periodiek terug naar zijn oorspronkelijke staat. Afhankelijk van de fase van deze cyclisch voortschrijdende reactie, het oppervlak van het rhodiumkristal verschijnt als helder of donker onder de foto-emissie-elektronenmicroscoop. Hierdoor ontstaat een bewegend golfpatroon. De doorbraak was het gelijktijdig waarnemen van dit effect op verschillende microscopisch kleine korrels van een polykristallijne katalysator. Fascinerende spiraalstructuren vormen zich daar, waarvan de beweging ons in staat stelt informatie te verzamelen over de kenmerken van de individuele kristalkorrels.

konijnen, vossen en kristallen

Typisch, men stelt zich een chemische reactie voor zoals deze:uit specifieke initiële reactanten verkrijgt men specifieke eindproducten. Maar zo simpel hoeft het niet te zijn. Zelfvoorzienende oscillaties kunnen optreden, d.w.z. periodieke veranderingen tussen twee verschillende staten, " legt professor Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie van de TU Wien uit. Dit is bekend uit heel verschillende wetenschappelijke disciplines, zoals jager-prooi modellen. Als vossen zoveel konijnen eten dat er bijna geen konijnen meer zijn, de vossen verhongeren en hun aantal daalt, en als resultaat herstelt de konijnenpopulatie zich. Vergelijkbare patronen komen voor in vastgoedprijzen; of zelfs bij chemische reacties.

Het team van TU Wien bestudeert de oxidatie van waterstof, de basis van elke brandstofcel. Deze studies omvatten het blootstellen van rhodiumoppervlakken aan een atmosfeer van zuurstof en waterstof. Aanvankelijk worden zuurstofmoleculen (O2) aan het oppervlak geadsorbeerd waar ze uiteenvallen in zuurstofatomen. De enkele zuurstofatomen kunnen dan in het kristal diffunderen en een dunne laag zuurstof vormen onder de buitenste rhodiumlaag. Echter, dit vermindert het vermogen van het oppervlak om zuurstof te binden. Meer en meer, waterstof is in plaats daarvan gebonden, die vervolgens reageert om water te vormen met de eerder geadsorbeerde zuurstof. Het water verlaat het oppervlak weer, op een gegeven moment is het aantal zuurstofatomen teruggekeerd naar het aanvankelijk lage niveau, en het hele proces begint opnieuw vanaf het begin.

verschillende hoeken, verschillende frequentie

"Dergelijke oscillerende reacties waren al bestudeerd door Nobelprijswinnaar Gerhard Ertl, " legt professor Yuri Suchorski uit, de eerste auteur van het artikel, WHO, zoals professor Rupprechter, werkte bij Professor Ertl's Berlin Institute voordat hij naar de TU Wien verhuisde. "Maar nu hebben we een belangrijke volgende stap gezet:we zijn erin geslaagd om een ​​toestand te bereiken van talrijke oscillaties van verschillende frequenties die gelijktijdig plaatsvinden op verschillende korrels van het polykristallijne oppervlak." Deze verschillende korrels vertonen kristalroosters die onder verschillende hoeken ten opzichte van het oppervlak zijn georiënteerd.

Deze hoeken spelen een cruciale rol:de geometrische rangschikking van atomen op het oppervlak van een kristal is afhankelijk van de richting waarin het wordt gesneden. Dit bepaalt ook de frequentie waarmee de chemische reactie cyclische oscillaties ondergaat.

Op een polykristallijn oppervlak, er zijn dan verschillende regio's waarin het cyclische proces met verschillende frequenties plaatsvindt. Juist dit effect zorgt voor die fascinerende golfpatronen. Wanneer een chemische golf over het oppervlak beweegt en van de rand van de ene kristalkorrel naar de andere gaat, het versnelt of vertraagt, vergelijkbaar met licht dat van de lucht naar het water gaat. Dit verandert de complexe spiraalvormige golfstructuren volgens de specifieke oriëntatie van het korreloppervlak. "Van deze constructies kunnen we dan veel leren over het materiaal, " zegt Günther Rupprechter. "In één oogopslag kunnen we detecteren welke delen van ons oppervlak superieure katalytische eigenschappen hebben."

Op weg naar toekomstige waterstofenergie

Het is noodzakelijk om meer te leren over de katalytische oxidatie van waterstof. "Voor brandstofcellen, de mobiele energiebronnen van de toekomst waarvan het enige uitlaatgas uit zuiver water bestaat, we hebben nieuwe materialen nodig die helpen om waterstof katalytisch te verbranden. Maar zoals voorheen, deze processen zijn nog niet volledig begrepen", zegt professor Yuri Suchorski. "Er zijn hier nog veel open vragen, en nu hebben we een nieuwe zeer elegante manier om ze verder te onderzoeken."