Je moet heel goed kijken om te begrijpen welke processen plaatsvinden op de oppervlakken van katalysatoren. Vaste katalysatoren zijn vaak fijn gestructureerde materialen gemaakt van kleine kristallen. Er zijn verschillende microscopie om chemische processen op dergelijke oppervlakken te volgen - ze gebruiken bijvoorbeeld ultraviolet licht, röntgenstralen of elektronen. Maar geen enkele methode alleen geeft een compleet beeld.

Dit is de reden waarom onderzoeksteams van de TU Wien en het Fritz Haber Instituut in Berlijn een nieuwe benadering hebben ontwikkeld die het mogelijk maakt om "drievoudige ogen" te hebben voor een katalytische reactie - met behulp van drie verschillende oppervlaktemicroscopieën. Zo konden ze aantonen dat tijdens de katalytische omzetting van waterstof en zuurstof in water, reactiefronten op het kristaloppervlak niet alleen opmerkelijke geometrische patronen vormen, maar ook een nieuw mechanisme van de voortplanting van deze fronten werd ontdekt.

Voor klimaatrelevante technologieën, zoals ecologisch schone energieproductie op basis van waterstof, is een uitgebreid begrip van dergelijke processen cruciaal.

Verschillende metingen in één instrument

"Veel wetenschappelijke vragen kunnen alleen worden beantwoord door verschillende microscopiemethoden op hetzelfde monster te combineren, wat correlatieve microscopie wordt genoemd", zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie van de TU Wien. "Dit gaat echter meestal gepaard met beperkingen."

Je moet een monster uit het ene instrument halen en hetzelfde experiment opnieuw uitvoeren in een andere microscoop. Vaak zijn de experimentele omstandigheden dan om methodologische redenen totaal anders:sommige metingen vinden plaats in vacuüm, andere in lucht. Vaak zijn de temperaturen anders. Bovendien kijkt u mogelijk niet met verschillende instrumenten naar dezelfde plek op het monster - dit kan ook de resultaten beïnvloeden. Het is dus moeilijk om de resultaten van verschillende metingen op een betrouwbare manier te combineren.

Ultraviolet, röntgenstralen en elektronen

Nu is het echter mogelijk geworden om drie verschillende microscopie zo te combineren dat dezelfde plek op hetzelfde monster onder dezelfde omgevingsomstandigheden werd onderzocht. Er werden drie verschillende elektronenmicroscopieën gebruikt:twee verschillende varianten van foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM), namelijk UV-PEEM en X-PEEM, en lage-energie-elektronenmicroscopie (LEEM).

In UV-PEEM en X-PEEM wordt het monsteroppervlak verlicht met respectievelijk ultraviolet licht en röntgenstralen. In beide gevallen resulteert dit in het uitzenden van elektronen vanaf het oppervlak. Net zoals lichtbundels worden gefocusseerd in een optische microscoop, vormen de elektronenbundels een realtime beeld van het oppervlak en van de processen die daar plaatsvinden.

In een X-PEEM kan men bovendien de geëmitteerde elektronen filteren op basis van hun energieën en zo de chemische samenstelling van het monsteroppervlak bepalen. De Berlijnse synchrotron (HZB BESSY II) heeft het onderzoeksteam toegang gegeven tot de benodigde hoogenergetische röntgenstraling met hoge intensiteit. Bij de LEEM-techniek wordt het oppervlak bestraald met een elektronenbundel. De elektronen die van het oppervlak worden teruggekaatst, creëren het realtime beeld van het monsteroppervlak en van de lopende processen, zoals een katalytische reactie.

Omdat alle drie de microscopie verschillende beeldvormingsmechanismen gebruiken, konden verschillende aspecten van katalytische waterstofoxidatie op een structureel identieke plaats van het monster worden bestudeerd, zegt prof. Yuri Suchorski, die sinds 1974 betrokken is bij oppervlaktemicroscopie. "Bovendien heeft de X -PEEM-techniek zorgt voor chemisch contrast en stelt ons daarom in staat om de patroonvorming op het oppervlak te correleren met de chemische samenstelling van het oppervlak en de reactanten die op het oppervlak aanwezig zijn, vandaar de term correlatieve microscopie."

Kijken hoe waterstof oxideert tot water

Zo werd het mogelijk om de oxidatie van waterstof op structureel goed gedefinieerde microscopische gebieden van een rhodiumfolie (structuurbepaling door onderzoekers van USTEM van TU Wien) op een veelzijdige manier en in realtime te bestuderen.

De reactie verspreidt zich als een golf over het oppervlak en onthult een nieuw soort patroonvorming die nog nooit eerder was aangetroffen. "Voor het uitspreidende reactiefront vormen zich nieuwe kleine eilanden van katalytisch actieve gebieden, die de voortplanting van de reactie versnellen", zegt prof. Rupprechter. In computersimulaties die virtuele reactiemicroscopie bieden, kon het team de vorming van deze eilanden modelleren en verklaren.

Door de correlatieve benadering was het nu mogelijk om de specifieke sterkte van elk van de respectieve microscopiemethoden (ruimtelijke en energieresolutie, gezichtsveld, vergroting tot op de nanometer) effectief te gebruiken en zo een voortdurende katalytische reactie in ongekende detail.

De oxidatie van waterstof tot water door vaste katalysatoren is een van de belangrijke processen die energieopwekking mogelijk maken zonder verbranding en zonder vervuiling (het uitlaatgas bestaat uit zuiver water), bijvoorbeeld in brandstofcellen. Voor toekomstige ontwikkelingen van nieuwe technologieën voor de productie van groene energie, zal het belangrijk zijn om de lopende katalytische reacties met meerdere ogen aan het werk te zien om de fijne details van de katalytische processen grondig te begrijpen.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Catalysis . + Verder verkennen

Nanodeeltjes:het complexe ritme van de chemie