Overgangsmetaalkatalysatoren, zoals nikkel en kobalt, worden veel gebruikt in de industrie om waterstof en andere nuttige verbindingen uit aardgas te produceren. Onderzoekers bereiken deze transformatie door stoomreforming, dat is het proces waarbij methaan wordt verwarmd met stoom in aanwezigheid van de katalysator, waardoor waterstof en koolmonoxide worden geproduceerd.

Overgangsmetalen staan ​​bekend om hun superieure katalytische capaciteiten en onderzoekers weten dat de meest significante reacties plaatsvinden aan het oppervlak van de katalysatoren. Tot dusver, de zoektocht naar nog betere katalysatoren is grotendeels gebaseerd op vallen en opstaan, en in de veronderstelling dat gekatalyseerde reacties plaatsvinden op stapranden en andere atoomdefectplaatsen van de metaalkristallen.

Een internationaal onderzoeksteam uit Zwitserland, Nederland, en de Verenigde Staten hebben experimenten met geavanceerde infraroodtechnieken gecombineerd met kwantumtheorie om methaandissociatiereacties tot in de kleinste details te onderzoeken. Voor de eerste keer, hun onderzoek laat precies zien waar de meest significante reacties plaatsvinden op het oppervlak van de katalysator. De onderzoekers richtten zich op platina (Pt) als katalysator om methaan af te breken, maar het model kan worden toegepast op andere overgangsmetaalkatalysatoren, zoals nikkel. Ze rapporteren hun bevindingen deze week in The Journal of Chemical Physics , van AIP Publishing.

"Een geteste voorspellende theorie met chemische nauwkeurigheid zou de manier waarop men naar nieuwe katalysatoren zoekt kunnen veranderen en het zoeken efficiënter en goedkoper kunnen maken, " zei Rainer Beck, co-auteur van het artikel en hoogleraar chemische wetenschappen en techniek aan cole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL).

Op atomaire schaal, het oppervlak van een platinakatalysator (evenals andere metaalkristallen) kan bestaan ​​uit stappen, terrassen, en andere defecten die worden gezien als belangrijke "plaatsen" in het katalytische proces.

Het onderzoeksteam gebruikte infrarood laserpompen om de methaanmoleculen te exciteren in geselecteerde roterende en vibrationele kwantumtoestanden. De onderzoekers gebruikten vervolgens reflectie-absorptie-infraroodspectroscopie (RAIRS) om methaandissociatie op de verschillende plaatsen van het Pt (211) kristal te detecteren. RAIRS is een niet-intrusieve techniek waarmee onderzoekers chemische reacties in realtime kunnen volgen tijdens de afzetting van, in dit geval, methaan op het Pt-oppervlak door plaatsspecifieke opnamecurven op te nemen voor chemisorbed methylsoorten op trappen en terrassen. Op basis van deze metingen, onderzoekers kunnen dan de reactiviteitsniveaus van methaan op elk van de sites bepalen.

De onderzoekers gebruikten ook het Reaction Path Hamiltoniaanse model, een kwantumtheorie raamwerk, om het potentiële energieoppervlak te berekenen en de dynamiek tijdens de chemische reacties te onderzoeken. Hun bevindingen toonden aan dat dissociatiereacties minstens twee ordes van grootte efficiënter zijn op de trappen dan op de terrassen. Bovendien, er vond geen reactie plaats op een derde type oppervlakteplaats gelegen tussen trappen en het terras (aangeduid als "hoekatomen").

"We hebben aangetoond dat het mogelijk is om RAIRS-detectie te gebruiken voor toestands- en oppervlakte-specifieke metingen van methaanreactiviteit en om het effect van vibratie-excitatie op reactiviteit op de trappen en terrassen van een katalysatoroppervlak te vergelijken, " zei Beck. "Dit nieuwe studiegebied biedt een ander detailniveau bij het detecteren van de dissociatieproducten van methaan."