Veel technische processen, inclusief chemische productie, uitlaatgaszuivering en chemische opslag van zonne-energie zou niet mogelijk zijn zonder katalysatoren. In de chemische industrie, de overgrote meerderheid van de geproduceerde producten komt in contact met ten minste één heterogene katalysator. Dergelijke katalysatoren zijn vaste stoffen op wiens oppervlak gasvormige stoffen adsorberen en reageren. De katalysator maakt of versnelt hun reactie om het product te produceren zonder zichzelf te veranderen. In dit proces, er zijn nog veel onbeantwoorde vragen, zoals waar op de katalysator het proces daadwerkelijk plaatsvindt. Chemische wetenschappers rond professor Joost Wintterlin van de afdeling Chemie van LMU laten zien dat stappen op het katalysatoroppervlak een cruciale rol spelen. Ze rapporteren over hun resultaten in het tijdschrift Natuur Katalyse .

In veel heterogeen gekatalyseerde reacties, er is indirect bewijs dat niet het gehele katalysatoroppervlak actief is, maar alleen op gebieden met gebreken, zoals de hoeken en randen van de katalysatordeeltjes, en niet de gladde oppervlakken ertussen. "Echter, het is nog niet mogelijk gebleken om direct aan te tonen of deze gebieden werkelijk de actieve centra zijn, omdat het erg moeilijk is om de chemische processen aan het oppervlak onder reactieomstandigheden te analyseren, d.w.z., bij gasdrukken van enkele bar en bij verhoogde temperaturen, ’ zegt Winterlin.

Wintterlin en zijn team werken al geruime tijd aan de ontwikkeling van een speciale scanning tunneling microscoop waarmee katalytische reacties op oppervlakken kunnen worden onderzocht onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die welke in de industrie worden toegepast. In plaats van de katalysatordeeltjes, die vaak slechts enkele nanometers groot zijn, de wetenschappers gebruiken kristallen die enkele millimeters groot zijn. In het nu gepubliceerde werk de wetenschappers bepaalden ook de vorming van de katalytische reactieproducten op hetzelfde monster onder dezelfde omstandigheden. "Dit is de enige manier om correlaties te detecteren tussen de structurele elementen van het oppervlak dat onder de microscoop wordt getoond en de katalytische activiteit, ", zegt Winterlin. "Deze combinatie maakt het experiment bijzonder moeilijk." Een speciaal ontwikkelde gaschromatograaf, waarmee extreem lage productconcentraties kunnen worden gedetecteerd, uiteindelijk tot succes geleid.

Als voorbeeld voor hun analyse, de wetenschappers kozen voor de Fischer-Tropsch-synthese, een grootschalig proces waarbij vloeibare koolwaterstoffen zoals synthetische diesel worden geproduceerd uit synthesegas op een kobaltkatalysator. Voor dit systeem is de wetenschappers konden aantonen dat de katalytische activiteit van het monster toenam naarmate er meer atomaire stappen waren op het oppervlak van het kobaltkristal dat als katalysator werd gebruikt. De stappen worden veroorzaakt door het feit dat de atomaire lagen van het kristal op het oppervlak onvolledig zijn. Op het punt waar een laag eindigt, er wordt een stap naar de volgende laag gemaakt. Dergelijke stappen bestaan ​​ook op de oppervlakken van de kleine kobaltdeeltjes van de industriële katalysator, en de activiteit ervan kon kwantitatief worden voorspeld met de gegevens van de modelkatalysator. "Dit is het eerste directe bewijs dat deze atomaire stappen de actieve centra van de katalysator zijn, ", zegt Winterlin. De wetenschappers hopen dat deze resultaten kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van effectievere katalysatoren.