Chemie live:met behulp van een scanning tunneling microscoop, onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) konden voor het eerst de activiteit van katalysatoren tijdens een elektrochemische reactie in detail zien. De metingen laten zien hoe de oppervlaktestructuur van de katalysatoren hun activiteit beïnvloedt. De nieuwe analysemethode kan nu worden gebruikt om katalysatoren voor de elektrochemische industrie te verbeteren.

Geen energietransitie zonder katalysatoren:alleen, de chemische processen die nodig zijn om waterstofgas te produceren met behulp van elektriciteit, om de waterstof weer om te zetten in elektrische energie in brandstofcellen, of om kooldioxide om te zetten in brandstof, te langzaam plaatsvinden om praktisch bruikbaar te zijn. Katalysatoren versnellen de reactie zonder zelf verbruikt te worden.

"Katalysatoren zijn van enorm belang voor de industrie. de industrie heeft een groot belang bij het verder verbeteren van de materialen om de efficiëntie van de processen te verhogen", legt Aliaksandr Bandarenka uit, Hoogleraar voor de fysica van energieconversie en -opslag aan de TUM.

Samen met zijn team, de scheikundige heeft daarvoor nu een cruciale voorwaarde gesteld:voor het eerst een scanning tunneling microscoop is met succes gebruikt om het oppervlak te onderzoeken tijdens een katalytisch proces. Op deze manier, het was mogelijk om in detail te bepalen op welke plaatsen de reactiesnelheid en daarmee de activiteit van de katalysatoren het hoogst is. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Op zoek naar actieve centra

Al heel lang, onderzoekers vermoeden dat er een verband bestaat tussen de oppervlaktestructuur en de activiteit van heterogene katalysatoren, waar chemische reacties plaatsvinden op het grensvlak tussen een vaste stof en een vloeistof of gas. Heterogene katalysatoren worden bijvoorbeeld gebruikt bij de elektrolytische productie van waterstofgas of voor het reinigen van uitlaatgassen van voertuigen.

"Echter, de chemische reacties verlopen niet op alle locaties met dezelfde snelheid. In plaats daarvan, er zijn actieve centra op het oppervlak van de katalysatoren", meldt Bandarenka. "Eerder, we moesten vertrouwen op modelberekeningen en indirecte metingen om deze centra te lokaliseren."

Met de nieuwe analyseprocedure het bestaan ​​van de actieve centra kan nu experimenteel worden aangetoond. Monsters met katalysatormaterialen, waaronder platina en een combinatie van goud en palladium, worden bedekt met een vloeibare elektrolytlaag en onderzocht met een scanning tunneling microscoop.

Terwijl waterstofionen (d.w.z. protonen) elektronen van de elektrode ontvangen, aan het oppervlak van de katalysator, en waterstofgas vormen, de punt van de microscoop scant het oppervlak van de katalysator op een afstand van slechts enkele angström. Punt voor punt, de "tunnelstroom" die tussen het oppervlak en de punt vloeit, wordt nu gemeten. Een op het apparaat aangesloten computer registreert de signalen.

Een "luidruchtig" mysterie

"Interessant, de tunnelstromen zijn niet overal hetzelfde. Er zijn gebieden waar de stroming sterker is, maar stroomt ongelijkmatig - het is 'luidruchtig' ", meldt Bandarenka. Het bestaan ​​van dit geluid is al lang bekend, maar tot op heden niemand heeft onderzocht wat de oorzaak is.

Tijdens de evaluatie van de gegevens, het TUM-team ontdekte een duidelijk verband tussen de intensiteit van het geluid en defecten op het oppervlak van de katalysatoren - microscopisch kleine stapjes, randen, of hoeken. "Naarmate het aantal defecten toeneemt, dat geldt ook voor de ruis - er stromen meer elektronen en dus ook meer stroom", legt Bandarenka uit.

Het fastfood-principe

De onderzoeker vergelijkt het gedrag van de ionen graag met dat van gasten in een fastfoodrestaurant:ze vertrekken meteen zonder iets te consumeren. Anderzijds, als de stoelen buitengewoon comfortabel zijn, ze blijven lang zitten, het blokkeren van de stoelen voor nieuwe gasten. Pas als de stoelen niet te comfortabel of te oncomfortabel zijn, komen klanten, eten, en weer vertrekken.

Gezien in termen van de chemische processen tijdens elektrolyse, dit betekent het volgende:Als het oppervlak van de katalysator te chemisch aantrekkelijk of afstotend is voor de waterstofionen, de reactie breekt af. De meest effectieve gebieden zijn waar ionen worden aangetrokken, maar blijf niet te lang.

Minder buren zorgen voor betere reacties

Kleine defecten in het atoomrooster, maar ook grenzen tussen materialen - bijvoorbeeld palladium op goud - lijken deze ideale omstandigheden voor katalyse te creëren. Maar waarom? "Onze experimenten tonen aan dat het aantal naburige atomen en de resulterende sterkte van de binding een cruciale factor is voor activiteit", legt Oliver Schneider uit, een van de co-auteurs van de publicatie.

De TUM-onderzoekers willen de bevindingen nu gebruiken om effectievere katalytische materialen te ontwikkelen met zo groot mogelijke actieve gebieden.