Een kristallijne verbinding genaamd rutheniumdioxide wordt veel gebruikt in industriële processen, waar het vooral belangrijk is voor het katalyseren van een chemische reactie die watermoleculen splitst en zuurstof vrijgeeft. Maar het exacte mechanisme dat plaatsvindt op het oppervlak van dit materiaal, en hoe die reactie wordt beïnvloed door de oriëntatie van de kristaloppervlakken, was nooit in detail vastgesteld. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en verschillende andere instellingen heeft het proces voor het eerst rechtstreeks op atomair niveau kunnen bestuderen.

De nieuwe bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Katalyse , in een paper van MIT-professor Yang Shao-Horn, recent afgestudeerde studenten Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano en Jaclyn Lunger, en 10 anderen bij MIT, Argonne Nationaal Laboratorium, en andere instellingen.

Het werk omvatte jarenlange samenwerking en een iteratief proces tussen atoom-voor-atoom computermodellering van het katalytische proces, en precisie-experimenten, waaronder enkele met behulp van een unieke synchrotron-röntgenfaciliteit in Argonne, waarmee op atomaire schaal het oppervlak van het materiaal kan worden onderzocht.

"Ik denk dat het opwindende aspect van het werk is dat we een beetje de grens verleggen van ons begrip van de katalyse van het splitsen van water, " zegt Shao-Horn. "We proberen te leren wat er gebeurt op zuurstoflocaties aan het oppervlak onder reagerende omstandigheden, een cruciale stap in de richting van het definiëren van de actieve locaties voor het splitsen van water."

Het katalytische proces, bekend als de zuurstofevolutiereactie, is cruciaal voor de productie van waterstof en ammoniak voor energieverbruik, het maken van synthetische koolstofneutrale brandstoffen, en het maken van metalen uit metaaloxiden. En momenteel, rutheniumdioxide-oppervlakken zijn "de gouden standaard van katalysatoren voor watersplitsing, " volgens Shao-Horn.

Hoewel het proces van het splitsen van water om zuurstofatomen te scheiden van hun twee waterstofatomen aan het oppervlak van een katalysator eenvoudig lijkt, op moleculair niveau, Rao zegt, "deze interface is behoorlijk ingewikkeld. Je hebt een heel groot aantal watermoleculen en je oppervlak kan volledig ontregeld zijn en er kunnen meerdere processen tegelijkertijd plaatsvinden." Om het allemaal te begrijpen, "Het eerste wat we doen is de complexiteit verminderen door echt goed gedefinieerde eenkristaloppervlakken te hebben", waarbij de exacte locatie van elk atoom is bepaald met behulp van synchrotron-röntgenverstrooiing om het oppervlak te onderzoeken.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen in principe inzoomen op die bovenste laag, " ze zegt, en dan kunnen ze de spanning die op het oppervlak wordt toegepast variëren om te zien hoe het wateroxidatieproces wordt beïnvloed. In de nieuwe studie omdat de onderzoekers de activiteits- en reactieplaatsen voor verschillende oppervlakteoriëntaties van het kristal hadden bepaald, ze konden die informatie opnemen in hun moleculaire modellering op de computer. Hierdoor kregen ze meer inzicht in de energetische reacties die plaatsvinden bij specifieke atomaire configuraties aan het oppervlak.

Wat ze ontdekten was dat "het veel intrigerender is, " omdat er niet slechts één site is die verantwoordelijk is voor de reactie, zegt Rao. "Het is niet zo dat elke site identiek is, maar je hebt verschillende plaatsen die verschillende rollen kunnen spelen" in de reeks stappen in de reactie. Verschillende snelheidsbepalende stappen kunnen mogelijk zijn, met de relatieve snelheden van watersplitsing beïnvloed door de oriëntatie van de blootgestelde kristalroostervlakken, en de nieuwe inzichten kunnen helpen bij het optimaliseren van de manier waarop katalysatoren worden bereid om de reactiesnelheden te optimaliseren.

Rao zegt dat het begrijpen van de invloed van deze subtiele verschillen op moleculair niveau zou kunnen helpen bij het ontwerpen van toekomstige katalysatoren die de hoogste activiteitsniveaus zouden kunnen overtreffen die zouden worden voorspeld door de traditionele methoden voor het beschrijven van elektronische structuren.

Shao-Horn voegt eraan toe dat terwijl hun studie specifiek naar rutheniumdioxide keek, het modelleringswerk dat ze deden, kon worden toegepast op een verscheidenheid aan katalytische processen, die allemaal vergelijkbare reacties behelzen van het verbreken en opnieuw maken van chemische bindingen door interacties met actieve plaatsen op het oppervlak van het materiaal.

De modellering van oppervlakteactiviteit zou kunnen worden gebruikt om te helpen bij het screenen van nieuwe potentiële katalytische materialen voor een verscheidenheid aan reacties, ze zegt, bijvoorbeeld om materialen te vinden die minder zeldzaam zijn, dure elementen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.