Metalen oppervlakken spelen een rol als katalysator voor veel belangrijke toepassingen, van brandstofcellen tot de zuivering van uitlaatgassen van auto's. Echter, hun gedrag wordt beslissend beïnvloed door zuurstofatomen die in het oppervlak zijn opgenomen.

Dit fenomeen is al lang bekend, maar tot nu toe was het niet mogelijk om de rol van zuurstof in complexe oppervlakken punt voor punt nauwkeurig te onderzoeken om de chemische achtergrond op atomair niveau te begrijpen. Dit is nu op de TU Wien gerealiseerd in samenwerking met een team van de Elettra Synchrotron in Triëst. Het werd mogelijk te verklaren waarom in eerdere studies deels tegenstrijdige resultaten werden verkregen:de zuurstofatomen zijn niet gelijkmatig verdeeld, maar vestigen zich bijzonder gemakkelijk op zeer specifieke plaatsen.

Precisiemetingen in plaats van gemiddelde waarden

"Het is een grote uitdaging om tijdens katalyse direct een metalen oppervlak te onderzoeken, " zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie aan de TU Wien. "Je kunt, natuurlijk, stop de hele katalysator in een reactor en meet precies welke chemische producten worden geproduceerd, maar je krijgt alleen een gemiddelde waarde. Je weet niet welke plekken op de katalysator hebben bijgedragen aan de chemische reactie en op welke manier."

Een andere mogelijkheid is om geen echte katalysator te gebruiken, maar een simpele zeer schoon, geïdealiseerd stukje ervan, zoals een klein eenkristal, met bekende eigenschappen, die je vervolgens onder de microscoop kunt bestuderen. In dit geval, je wordt precies, reproduceerbare resultaten, maar met praktische toepassingen hebben ze niet veel te maken.

De onderzoeksgroep onder leiding van Günther Rupprechter en Yuri Suchorski combineerde daarom de voordelen van beide benaderingen. Ze gebruiken dunne folies van rhodium, die uit kleine korrels bestaan. Op elke korrel, de oppervlakte-atomen kunnen anders worden gerangschikt. In één korrel, ze vormen een gladde, regelmatig oppervlak met de buitenste atomen allemaal in precies hetzelfde vlak; ernaast, de atomen kunnen zichzelf rangschikken om een ​​meer gecompliceerde structuur te vormen die uit vele atomaire stappen bestaat.

De favoriete plekken van zuurstofatomen

Juist deze stappen blijken cruciaal. "Voor de katalytische activiteit, de oxidatietoestand van de katalysator speelt een centrale rol, d.w.z. of zuurstof zich aan de metaalatomen hecht of niet, " zegt Philipp Winkler, de eerste auteur van het artikel. "Bij eerdere experimenten we ontdekten dat we vaak te maken hadden met een bepaalde toestand tussen 'geoxideerd' en 'niet geoxideerd' - een situatie die moeilijk te interpreteren is."

Echter, dit kan worden begrepen als men zich realiseert dat niet elke korrel van de rhodiumfolie in dezelfde mate wordt geoxideerd. De oxidatie begint bij voorkeur op hoeken, randen en treden - daar binden de zuurstofatomen zich bijzonder gemakkelijk aan het oppervlak. Daarom, verschillende korrels met verschillende oppervlaktestructuren worden in verschillende mate geoxideerd.

Elektronenmicroscoop en synchrotron in Triëst

Dit zou kunnen worden bestudeerd met behulp van een combinatie van hoogontwikkelde technologieën:"In een speciale elektronenmicroscoop, het monster wordt tijdens de katalytische reactie bestraald met UV-licht en de resulterende elektronenemissie wordt geregistreerd met een ruimtelijke resolutie van micrometers, " legt Yuri Suchorski uit, "Hierdoor kunnen we precies bepalen welke korrels van de rhodiumfolie bijzonder katalytisch actief zijn. Hetzelfde monster wordt dan opnieuw onderzocht met een heel andere microscoop:korrel voor korrel met röntgenstralen bij de synchrotron, het verkrijgen van zeer nauwkeurige informatie over de oppervlakte-oxidatie van het monster."

Als je beide resultaten combineert, je kunt precies bepalen welk chemisch gedrag kenmerkend is voor bepaalde structuren. Het belangrijkste voordeel:het is mogelijk om in één experiment de hele rodiumfolie met honderden verschillende korrels te onderzoeken. In plaats van kleine eenkristallen afzonderlijk te bestuderen, een monster met veel verschillende structuren die voor katalyse worden gebruikt, wordt onder reële omstandigheden bestudeerd, en informatie over de eigenschappen van deze structuren wordt in één keer verkregen.

"Dit is een belangrijke stap in het onderzoek naar katalyse, Rupprechter zegt. "We hoeven nu niet langer genoegen te nemen met het meten van een gemiddelde waarde die het hele monster onvoldoende beschrijft, maar we kunnen echt tot in detail begrijpen welke atomaire structuren welke effecten vertonen. Dit zal het ook mogelijk maken om belangrijke katalysatoren gericht te verbeteren die nodig zijn voor veel toepassingen in energie- en milieutechnologie."