Katalysatoren, of stoffen die chemische reacties versnellen, hebben verschillende industriële toepassingen. Een veelgebruikte katalysator in katalysatoren is palladium, die helpt om giftige koolmonoxide en koolwaterstoffen uit de uitlaatgassen van voertuigen om te zetten in kooldioxide en water door oxidatie. Maar net als andere edele metalen zoals platina, palladium is zeldzaam. Door het beperkte aanbod, palladium is een duur goed.

Het vervangen van edelmetaalkatalysatoren door katalysatoren op basis van meer overvloedige metalen zoals ijzer zou hun kosten aanzienlijk verlagen. Echter, ijzer katalysatoren, hoewel zeer efficiënt, de neiging om snel te deactiveren. Bijvoorbeeld, ijzeroxidekatalysatoren worden "vergiftigd" wanneer hun oppervlakken worden bedekt door koolstofsoorten die zijn gevormd tijdens reacties met koolstofbevattende moleculen, zoals wanneer koolmonoxide uiteenvalt in koolstof en zuurstof. Koolstof die op het katalysatoroppervlak wordt afgezet, blokkeert de actieve plaatsen en voorkomt dat verdere reacties plaatsvinden, dus "vergiftiging" en uiteindelijk deactivering van de katalysator.

"Een vorm van ijzeroxide, FeO, is een zeer goedkoop materiaal dat actief is voor oxidatie, maar te actief voor zijn eigen bestwil, " zei Dario Stacchiola, leider van de Interface Science and Catalysis Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) bij Brookhaven National Laboratory - en een adjunct-professor in de Chemistry Department van Stony Brook University. "Het creëren van structuren met ijzer die actief genoeg zijn om de reactie te bevorderen zonder gedeactiveerd te worden, zou de deur kunnen openen naar het gebruik van deze katalysatoren in praktische toepassingen."

Stacchiola en medewerkers vonden een structuur die precies dat zou kunnen doen. De wetenschappers maakten een dunne laag FeO-nanodeeltjes bovenop een gouden oppervlak en ontdekten dat dislocatielijnen die op het FeO-oppervlak verschijnen zeer actief zijn, maar niet vergiftigd raken. Deze defectlijnen bestaan ​​uit ijzeratomen omgeven door vier zuurstofatomen in plaats van de normale drie.

Het team ontdekte de defecten in afbeeldingen met een hoge resolutie die zijn opgenomen via lage-temperatuur scanning tunneling microscopie (STM) bij de CFN Proximal Probes Facility en de Nanjing University of Science and Technology in China, waar teamlid en voormalig CFN-postdoc Tianchao Niu nu hoogleraar is. In STM, elektrische stroom wordt gemeten als elektronen tunnelen tussen een monsteroppervlak en een metalen punt dat over het oppervlak scant.

De wetenschappers bestudeerden vervolgens de oxidatie en reductie van FeO in omgevingen van zuurstofgas en koolmonoxide, respectievelijk. Om de atomaire en chemische structuur van de katalysator te controleren, ze voerden oppervlaktewetenschappelijke studies uit bij kamertemperatuur en omgevingsdruk (AP). Vooral, ze gebruikten een ultramodern AP-STM-instrument dat beschikbaar is voor academische en industriële gebruikers bij de CFN.

"We wilden zien of de katalysator actief zou zijn bij gematigde omstandigheden omdat hoge temperaturen of drukken koolmonoxide kunnen dissociëren in koolstof, het deactiveren van de katalysator, " zei Stacchiola. "Door deze studies bij omgevingsdruk uit te voeren, we kunnen observeren hoe het materiaal verandert terwijl het werkt. Alleen dan kunnen we de chemische processen begrijpen die plaatsvinden op atomair en moleculair niveau."

Bij oxidatie, de dislocatielijnen verdwenen en de hoogte van de FeO-laag nam toe, wat suggereert dat zuurstofatomen waren opgenomen. Een opeenvolgende blootstelling aan koolmonoxide resulteerde in de regeneratie van de dislocatielijnen en een vermindering van de hoogte van FeO, wat wijst op de verwijdering van de zuurstofatomen. Na beeldvorming van elk van deze reactiestappen via AP-STM, de wetenschappers gebruikten röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) om te bepalen welke chemische soorten aanwezig waren en hun respectieve oxidatietoestanden (aantal verwijderde of toegevoegde elektronen). Deze chemische informatie kan worden bepaald op basis van de energie van elektronen die door het monsteroppervlak worden uitgezonden na excitatie door röntgenstralen.

"De oxidatie en reductie van FeO is omkeerbaar, " zei Stacchiola. "Zuurstof werd toegevoegd en verwijderd zonder koolstof achter te laten. Omdat ijzer in de dislocatielijnen is afgestemd op een ander aantal zuurstofatomen dan normaal, de oxidatietoestand verandert. Deze verandering bevordert de dissociatie van moleculaire zuurstof - een zeer stabiel molecuul - in twee zuurstofatomen. De ophoping van atomaire zuurstof op het FeO-oppervlak bevordert op zijn beurt de oxidatie van koolmonoxide."

Zhao Jiang van de Xi'an Jiaotong University in China berekende vervolgens de energie van het reactiepad. Jiang ontdekte dat de oxidatie van koolmonoxide energetisch gemakkelijker is wanneer extra zuurstofatomen op het FeO-oppervlak worden geadsorbeerd.

Vooruit gaan, Stacchiola en zijn groep zullen doorgaan met het onderzoeken van aardrijke metalen voor katalyse. Ashley hoofd, een wetenschapper in de groep, in samenwerking met Baran Eren van het Weizmann Institute of Science in Israël, heeft onlangs de rol onderzocht die oppervlakteverontreinigingen en mangaanoxide spelen bij de katalytische verbetering van kobaltkatalysatoren voor de omzetting van koolmonoxide en waterstof in synthesegas, die wordt gebruikt bij de vervaardiging van chemicaliën en brandstoffen. Dit experiment was een van de eerste volledig uitgevoerd met het AP-XPS-instrument bij de CFN Proximal Probes Facility.

"De complementaire in-situ microscopie- en spectroscopiefaciliteiten die openstaan ​​voor CFN-gebruikers zijn bij uitstek geschikt voor dit soort oppervlaktechemiestudies, ' zei Stacchiola.