Het gebruik van efficiënte katalysatoren is wat in de eerste plaats veel technische procedures mogelijk maakt. Inderdaad, synthese van meer dan 80 procent van de producten die in de chemische industrie worden gegenereerd, vereist de input van specifieke katalysatoren. De meeste hiervan zijn vastestofkatalysatoren, en de reacties die ze mogelijk maken, vinden plaats tussen moleculen die aan hun oppervlakken adsorberen.

De specifieke eigenschappen van de katalysator zorgen ervoor dat de startmoleculen een interactie aangaan en de reactie tussen hen versnellen, zonder de katalysator zelf te verbruiken of te veranderen. Echter, efficiënte katalyse vereist ook efficiënt mengen, dus reactanten moeten zijdelings op het oppervlak van de katalysator kunnen diffunderen om de kans op het ondergaan van de gewenste reactie te maximaliseren. Onder de omstandigheden die worden gebruikt in industriële processen, echter, het oppervlak van de katalysator is over het algemeen zo dicht opeengepakt met geadsorbeerde deeltjes dat het onduidelijk was hoe moleculen überhaupt effectief konden diffunderen. Onderzoekers onder leiding van professor Joost Wintterlin van de afdeling Scheikunde van de Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) hebben nu aangetoond dat, hoewel reactanten inderdaad tijd doorbrengen die vrijwel gevangen zit op het oppervlak van de katalysator, lokale fluctuaties in bezetting bieden vaak mogelijkheden om van positie te veranderen. De nieuwe bevindingen verschijnen in het toonaangevende tijdschrift Wetenschap .

Om inzicht te krijgen in de moleculaire processen die plaatsvinden op een vastestofkatalysator, Wintterlin en collega's gebruikten scanning tunneling microscopie (STM) om de mobiliteit van individuele zuurstofatomen te volgen op een ruthenium (Ru) katalysator die dicht opeengepakt was met geadsorbeerde koolmonoxide (CO) moleculen. "We hebben voor dit systeem gekozen omdat de oxidatie van CO tot CO2 op metalen die tot de platinagroep behoren een goed bestudeerd model is voor katalyse in vaste toestand in het algemeen, " legt Winterlin uit. Echter, conventionele scanning tunneling microscopie zou de oppervlaktedynamiek van dit reactiesysteem niet hebben kunnen vastleggen. Maar het team slaagde erin de snelheid van data-acquisitie te verhogen, eindelijk bereiken we snelheden tot 50 beelden per seconde - hoog genoeg om video's te maken van de dynamiek van de deeltjes op de katalysator.

De STM-afbeeldingen onthulden dat de zuurstofatomen volledig zijn ingesloten door driehoekige kooien gevormd door CO-moleculen die aan het oppervlak van de Ru-katalysator zijn geadsorbeerd. Analyse van de video's toonde aan dat enkele zuurstofatomen alleen kunnen springen tussen drie posities gevormd door de tussenruimten van de Ru-atomen. "Maar, tot onze verbazing, we zagen ook dat een atoom uit zijn kooi kan ontsnappen, en plotseling begint te diffunderen door de koolmonoxidematrix met een snelheid die bijna net zo hoog is als op een volledig leeg oppervlak, " zegt Ann-Kathrin Henß, eerste auteur van het onderzoeksartikel. In samenwerking met professor Axel Groß van het Institute of Theoretical Chemistry aan de Universiteit van Ulm, de onderzoekers uit München konden dit fenomeen in verband brengen met fluctuaties in de lokale dichtheid van de CO aan het oppervlak, die aanleiding geven tot gebieden waarin de moleculen min of meer dicht op elkaar gepakt zijn. Wanneer zo'n fluctuatie optreedt in de buurt van een zuurstofatoom, de laatste kan ontsnappen uit zijn kooi, en op weg naar een nieuwe functie. In feite, dit 'deur-openingsmechanisme' opent diffusiepaden zo snel dat de beweging van de zuurstofatomen door de matrix niet significant wordt belemmerd. Dit verklaart waarom ze bijna altijd een nieuwe bindingspartner kunnen vinden voor de door de katalysator gefaciliteerde reactie.