Door individuele metaalatomen op de juiste manier in een oppervlak te verwerken, kan hun chemisch gedrag worden aangepast. Dit maakt nieuwe, betere katalysatoren mogelijk.

Ze maken onze auto's milieuvriendelijker en ze zijn onmisbaar voor de chemische industrie:katalysatoren maken bepaalde chemische reacties mogelijk, zoals de omzetting van CO in CO ₂ in uitlaatgassen van auto's - dat zou anders heel langzaam of helemaal niet gebeuren. Oppervlaktefysici van de TU Wien hebben nu een belangrijke doorbraak bereikt; metaalatomen kunnen op een metaaloxide oppervlak worden geplaatst zodat ze precies het gewenste chemische gedrag vertonen. Veelbelovende resultaten met iridium-atomen zijn zojuist gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Angewandte Chemie .

Kleiner en kleiner - helemaal tot aan het enkele atoom

Voor uitlaatgassen van auto's, vaste katalysatoren zoals platina worden gebruikt. Het gas komt in contact met het metalen oppervlak, waar het reageert met andere gascomponenten. "Alleen de buitenste laag metaalatomen kan een rol spelen in dit proces. Het gas kan de atomen in het metaal nooit bereiken, dus ze worden in feite verspild, " zegt prof. Gareth Parkinson van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU Wien. Het is daarom logisch om de katalysator niet als een enkel groot blok metaal te construeren, maar maar in de vorm van fijne korrels. Dit maakt het aantal actieve atomen zo hoog mogelijk. Aangezien veel belangrijke katalysatormaterialen (zoals platina, goud of palladium) zijn erg duur, kosten is een groot probleem.

Voor jaren, pogingen zijn gedaan om de katalysatoren om te zetten in fijnere en fijnere deeltjes. In het beste geval, de katalysator kan bestaan ​​uit afzonderlijke katalysatoratomen, en iedereen zou op de juiste manier actief zijn. Dit is makkelijker gezegd dan gedaan, echter. "Wanneer metaalatomen worden afgezet op een metaaloxide-oppervlak, ze hebben meestal een zeer sterke neiging om samen te klonteren en nanodeeltjes te vormen, ", legt Gareth Parkinson uit.

In plaats van de actieve metaalatomen aan een oppervlak te bevestigen, het is ook mogelijk om ze op te nemen in een molecuul met slim geselecteerde naburige atomen. De moleculen en reactanten worden vervolgens opgelost in een vloeistof, en de chemische reacties vinden daar plaats.

Beide varianten hebben voor- en nadelen. Vaste metaalkatalysatoren hebben een hogere doorvoer, en kan continu worden gebruikt. Met vloeibare katalysatoren, anderzijds, het is gemakkelijker om de moleculen naar wens aan te passen, maar het product en de katalysator moeten daarna weer gescheiden worden.

Het beste van beide werelden

Het Parkinson-team van de TU Wien is bezig om de voordelen van beide varianten te combineren:"Al jaren werken we aan het gecontroleerd bewerken en in beeld brengen van metaaloxide-oppervlakken onder de microscoop, " zegt Gareth Parkinson. "Dankzij deze ervaring, we zijn nu een van de weinige laboratoria ter wereld die metaalatomen op een goed gedefinieerde manier in een vast oppervlak kunnen opnemen."

Op vrijwel dezelfde manier als vloeibare katalysatormoleculen worden ontworpen, het wordt mogelijk om de naburige atomen in het oppervlak te kiezen die vanuit chemisch oogpunt het gunstigst zijn - en speciale oppervlaktefysica-trucs maken het mogelijk om ze op te nemen in een vaste matrix op een speciaal ijzeroxide-oppervlak. Dit kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om koolmonoxide om te zetten in kooldioxide.

Optimale controle

"Katalyse met één atoom is een nieuwe, veelbelovend onderzoeksgebied, ", zegt Gareth Parkinson. "Er zijn al spannende metingen gedaan met dergelijke katalysatoren, maar tot nu toe was het niet echt bekend waarom ze zo goed werkten. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, we hebben volledige controle over de atomaire eigenschappen van het oppervlak en kunnen dit duidelijk aantonen door middel van beelden van de elektronenmicroscoop."