Wetenschappers zijn nu in staat om een ​​nooit eerder geziene atomaire transformatie waar te nemen die kan plaatsvinden in veel katalytische reacties, dankzij onderzoekers van Binghamton University en het Brookhaven National Laboratory.

De nieuwe studie was bedoeld om meer te weten te komen over bepaalde katalytische transformaties, zoals de omzetting van giftig koolmonoxide (CO) in gifvrije gassen zoals kooldioxide (CO2). Het verminderen van verontreinigende stoffen zoals CO kan effectief worden gerealiseerd door metaaloxiden en/of edelmetalen te gebruiken om de transformatie te vergemakkelijken. De redoxreacties, ofwel de oxidatie van een metaal of de reductie van een metaaloxide, creëer de metaal/oxide-interface die de kritieke plaatsen kunnen zijn om de katalytische reactiviteit te verbeteren als gevolg van synergetische interacties op de interface.

Echter, het visualiseren van de atomaire verandering zoals deze plaatsvindt op het metaal/oxide-grensvlak werd traditioneel als onmogelijk beschouwd. Een hoop ingewikkelde problemen, inclusief fouten in de voorbereiding van monsters en het onvermogen om de verandering vast te leggen op de begraven interface en in realtime, hebben wetenschappers ervan weerhouden om atomen volledig te bestuderen die door oxidatie of reductie gaan.

"Het is gewoon te klein. We kunnen geen traditionele microscoop gebruiken. Met atomaire schaal, we hebben niet alleen een krachtige microscoop nodig, maar we moeten er ook voor zorgen dat elk detail wordt afgedekt om besmetting te voorkomen. Zelfs één atoom dat niet op zijn plaats is, kan veranderen wat we kunnen zien, " zei professor Guangwen Zhou van de Binghamton University.

Het team gebruikte een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) voor het onderzoek, een hulpmiddel dat al sinds 1935 bestaat en de afgelopen jaren dramatisch is geëvolueerd met de integratie van aberratiecorrectietechnieken en omgevingscapaciteiten. De in situ elektronenmicroscopietechnieken stelden de onderzoekers in staat om direct de atomaire verandering te onderzoeken die wordt veroorzaakt door blootstelling van H2 aan koperoxide, een materiaal dat wordt gebruikt in oxiderende/reducerende omgevingen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de katalytische oxidatie van CO tot CO2.

"Waar wetenschappers het meest mee geworsteld hebben, is om de transformatie in situ te zien, " zei Zhou. Door de atomaire verandering in situ te zien, konden onderzoekers niet alleen zien dat de transformatie had plaatsgevonden, maar bekijk het proces zoals het is gebeurd.

"We besloten te beginnen met het kijken naar de redoxreactie omdat het zo'n veel voorkomende transformatie is die wetenschappers nog niet eerder op zo'n kleine schaal hebben kunnen waarnemen, " zei Zhou. "We zijn van plan om de praktijken voort te zetten die we in deze studie hebben gebruikt om de verschillende soorten transformaties te observeren die andere moleculen doormaken."

De studie, getiteld "In situ beeldvorming op atomaire schaal van de metaal/oxide-grensvlaktransformatie, " werd gepubliceerd in de Natuurcommunicatie online tijdschrift.