Katalysatoren zijn onmisbaar voor veel technologieën. Om heterogene katalysatoren verder te verbeteren, het is nodig om de complexe processen op hun oppervlakken te analyseren, waar de actieve sites zich bevinden. Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), samen met collega's uit Spanje en Argentinië, hebben nu beslissende vooruitgang geboekt:zoals gerapporteerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze gebruiken rekenmethoden met zogenaamde hybride functionalen voor de betrouwbare interpretatie van experimentele data.

Veel belangrijke technologieën, zoals processen voor energieconversie, emissiereductie, of de productie van chemicaliën, werk alleen met geschikte katalysatoren. Om deze reden, zeer efficiënte materialen voor heterogene katalyse winnen aan belang. Bij heterogene katalyse, het materiaal dat als katalysator werkt en de reagerende stoffen bestaan ​​in verschillende fasen als vaste stof of gas, bijvoorbeeld. Materiaalsamenstellingen kunnen op verschillende manieren betrouwbaar worden bepaald. Processen die plaatsvinden op het katalysatoroppervlak, echter, kan met bijna geen enkele analysemethode worden gedetecteerd. "Maar het zijn deze zeer complexe chemische processen aan het buitenste oppervlak van de katalysator die van beslissend belang zijn, " zegt professor Christof Wöll, Hoofd van het KIT Institute of Functional Interfaces (IFG). "Daar, de actieve sites bevinden zich, waar de gekatalyseerde reactie plaatsvindt."

Nauwkeurig onderzoek van het oppervlak van poederkatalysatoren

Tot de belangrijkste heterogene katalysatoren behoren ceriumoxiden, d.w.z. verbindingen van het zeldzame aardmetaal cerium met zuurstof. Ze bestaan ​​in poedervorm en bestaan ​​uit nanodeeltjes met een gecontroleerde structuur. De vorm van de nanodeeltjes heeft een grote invloed op de reactiviteit van de katalysator. Om de processen op het oppervlak van dergelijke poederkatalysatoren te bestuderen, onderzoekers zijn onlangs begonnen met het gebruik van sondemoleculen, zoals koolmonoxidemoleculen, die zich aan de nanodeeltjes binden. Deze sondes worden vervolgens gemeten met infraroodreflectie-absorptiespectroscopie (IRRAS). Infraroodstraling zorgt ervoor dat moleculen gaan trillen. Van de trillingsfrequenties van de sondemoleculen, gedetailleerde informatie kan worden verkregen over het type en de samenstelling van de katalytische sites. Tot dusver, echter, interpretatie van de experimentele IRRAS-gegevens was erg moeilijk, omdat technologisch relevante poederkatalysatoren veel trillingsbanden hebben, wiens exacte toewijzing een uitdaging is. Theoretische berekeningen hielpen niet, omdat de afwijking van het experiment, ook in het geval van modelsystemen, was zo groot dat experimenteel waargenomen trillingsbanden niet precies konden worden toegewezen.

Lange berekeningstijd—Hoge nauwkeurigheid

Onderzoekers van KIT's Institute of Functional Interfaces (IFG) en Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT), in samenwerking met collega's uit Spanje en Argentinië gecoördineerd door Dr. M. Verónica Ganduglia-Pirovano van Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) in Madrid, hebben nu een groot probleem van theoretische analyse geïdentificeerd en opgelost.

Zoals gemeld in Fysieke beoordelingsbrieven , systematische theoretische studies en validatie van de resultaten met behulp van modelsystemen hebben aangetoond dat de tot nu toe gebruikte theoretische methoden enkele fundamentele zwakheden vertonen. In het algemeen, dergelijke zwakheden kunnen worden waargenomen in berekeningen met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een methode waarmee de kwantummechanica basistoestand van een multi-elektronensysteem kan worden bepaald op basis van de dichtheid van de elektronen. De onderzoekers ontdekten dat de zwakke punten kunnen worden overwonnen met zogenaamde hybride functionalen die DFT combineren met de Hartree-Fock-methode, een benaderingsmethode in de kwantumchemie.

Dit maakt de berekeningen erg complex, maar ook zeer nauwkeurig. "De rekentijden die nodig zijn voor deze nieuwe methoden zijn een factor 100 langer dan voor conventionele methoden, ", zegt Christof Wöll. "Maar dit nadeel wordt ruimschoots gecompenseerd door de uitstekende overeenkomst met de experimentele systemen." Met behulp van ceriumoxidekatalysatoren op nanoschaal, de onderzoekers hebben deze vooruitgang aangetoond die kan bijdragen aan het effectiever en duurzamer maken van heterogene katalysatoren.