Wat gebeurt er als een kat op een zonnebloem klimt? De zonnebloem is onstabiel, zal snel buigen en de kat zal op de grond vallen. Als de kat echter slechts een snelle boost nodig heeft om van daaruit een vogel te vangen, kan de zonnebloem fungeren als een 'metastabiele tussenstap'. Dit is in wezen het mechanisme waarmee individuele atomen van een katalysator moleculen vangen om ze chemisch te transformeren.

Enkele jaren geleden ontdekte de oppervlaktefysica-groep van de Technische Universiteit van Wenen dat platina-katalysatoren met één atoom koolmonoxide konden oxideren bij temperaturen die volgens hun theoretische modellen niet mogelijk zouden zijn. Nu hebben ze met behulp van microscoopbeelden op atomaire schaal en complexe computersimulaties kunnen aantonen dat zowel de katalysator zelf als het materiaal waarop het is verankerd gedurende korte tijd een energetisch ongunstige "metastabiele" toestand aannemen om de reactie mogelijk te maken. op een bijzondere manier gebeuren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Enkele atomen als katalysatoren

De onderzoeksgroep van prof.dr. Gareth Parkinson van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien doet onderzoek naar de kleinst mogelijke katalysatoren:individuele platina-atomen worden op een ijzeroxide-oppervlak geplaatst. Ze komen dan in contact met koolmonoxidegas en worden omgezet in kooldioxide, zoals gebeurt in een moderne auto-uitlaat.

"Dit proces is technisch erg belangrijk, maar wat er precies gebeurt als de katalysator wordt verkleind tot de limiet van één atoom, was tot nu toe niet duidelijk", zegt Gareth Parkinson. "In onze onderzoeksgroep bestuderen we dergelijke processen op een aantal manieren:aan de ene kant maken we met een scanning tunneling microscoop beelden met een extreem hoge resolutie waarop je de beweging van individuele atomen kunt bestuderen. En aan de andere kant , analyseren we het reactieproces met spectroscopie en computersimulaties."

Of de platinaatomen als katalysator actief zijn, hangt af van de temperatuur. In het experiment wordt de katalysator langzaam en gelijkmatig verwarmd tot de kritische temperatuur is bereikt en wordt koolmonoxide omgezet in kooldioxide. Die drempel is ongeveer 550 Kelvin. "Dit paste echter niet in onze oorspronkelijke computersimulaties", zegt Matthias Meier, eerste auteur van de huidige publicatie. "Volgens de dichtheidsfunctionaaltheorie, die normaal voor dergelijke berekeningen wordt gebruikt, kon het proces alleen plaatsvinden bij 800 Kelvin. Dus we wisten:hier was tot nu toe iets belangrijks over het hoofd gezien."

Een metastabiele toestand:van korte duur, maar belangrijk

Gedurende een aantal jaren deed het team uitgebreide ervaring op met dezelfde materialen in andere reacties, en zo ontstond stap voor stap een nieuw beeld. "Met de dichtheidsfunctionaaltheorie bereken je normaal gesproken de toestand van het systeem met de laagste energie", zegt Matthias Meier. "Dat is logisch, want dat is de toestand die het systeem het vaakst aanneemt. Maar in ons geval is er een tweede toestand die een centrale rol speelt:een zogenaamde metastabiele toestand."

Zowel de platina-atomen als het oppervlak van ijzeroxide kunnen heen en weer schakelen tussen verschillende kwantumfysische toestanden. De grondtoestand, met de laagste energie, is stabiel. Wanneer het systeem verandert in de metastabiele toestand, keert het na korte tijd onvermijdelijk terug naar de grondtoestand, zoals de kat die probeert de top te bereiken op een onstabiele klimpaal. Maar bij de katalytische omzetting van koolmonoxide is het voldoende dat het systeem zich voor een zeer korte tijd in de metastabiele toestand bevindt:net zoals een kort moment in een wiebelige klimtoestand voldoende kan zijn voor de kat om een ​​vogel met zijn poot te vangen , kan de katalysator koolmonoxide omzetten in de metastabiele toestand.

Wanneer het koolmonoxide voor het eerst wordt geïntroduceerd, hechten twee platina-atomen aan elkaar om een ​​dimeer te maken. Wanneer de temperatuur hoog genoeg is, kan het dimeer naar een minder gunstige positie gaan waar de zuurstofatomen aan het oppervlak minder zwak gebonden zijn. In de metastabiele toestand verandert het ijzeroxide zijn atomaire structuur precies op dit punt, waarbij het zuurstofatoom vrijkomt dat het koolstofoxide nodig heeft om koolstofdioxide te vormen, dat onmiddellijk wegvliegt - waardoor het katalyseproces wordt voltooid. "Als we deze voorheen niet-verklaarde kortetermijntoestanden opnemen in onze computersimulatie, krijgen we precies het resultaat dat ook in het experiment werd gemeten", zegt Matthias Meier.

"Ons onderzoeksresultaat laat zien dat je in de oppervlaktefysica vaak veel ervaring nodig hebt", zegt Gareth Parkinson. "Als we in de loop der jaren niet heel verschillende chemische processen hadden bestudeerd, hadden we deze puzzel waarschijnlijk nooit opgelost." Onlangs is kunstmatige intelligentie ook met groot succes gebruikt om kwantumchemische processen te analyseren, maar in dit geval is Parkinson ervan overtuigd dat het waarschijnlijk niet succesvol zou zijn geweest. Om creatieve oplossingen te bedenken buiten wat eerder voor mogelijk werd gehouden, heb je waarschijnlijk toch mensen nodig. + Verder verkennen

Enkelvoudige atomen als katalysatoren