(Phys.org) — Katalysatoren kunnen stoppen met werken wanneer atomen aan het oppervlak beginnen te bewegen. Aan de Technische Universiteit van Wenen, deze dans van de atomen kon nu worden waargenomen en verklaard.

Eenzame mensen die in een balzaal staan, hebben niet de neiging om veel te bewegen. Pas als ze een geschikte danspartner vinden, begint een snelle beweging. Atomen op ijzeroxide-oppervlakken gedragen zich op een vergelijkbare manier:alleen met de juiste moleculaire partner dansen ze over het oppervlak. Wetenschappers van de Technische Universiteit van Wenen hebben nu de atomen gefilmd, bewijzen dat koolmonoxide de partner is die verantwoordelijk is voor de snelle beweging. Hun films laten zien dat de beweging direct leidt tot clustering - een effect dat grote schade kan toebrengen aan katalysatoren. De bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Clusters – Wat een verspilling van atomen!

"Metalen zoals goud of palladium worden vaak gebruikt als katalysator om bepaalde chemische reacties te versnellen", zegt professor Ulrike Diebold (Instituut voor Technische Natuurkunde, Technische Universiteit Wenen). Als de atomen samenkomen, de meeste komen niet meer in contact met het omringende gas en de katalytische werking neemt drastisch af. Om deze reden, Het team van Ulrike Diebold onderzoekt hoe clusters worden gevormd uit afzonderlijke atomen op een oppervlak, en zoeken naar manieren om het proces te remmen.

Theorieën over dit effect worden al jaren besproken, maar de onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen hebben de clustering van de atomen nu direct waargenomen. "We gebruiken palladiumatomen op extreem schone ijzeroxide-oppervlakken in een ultrahoogvacuümkamer. Gedurende enkele uren, we maken foto's van het oppervlak met een scanning tunneling microscoop", zegt Gareth Parkinson (Technische Universiteit van Wenen). Deze foto's werden vervolgens verfilmd, waarin de paden van de afzonderlijke atomen konden worden gevolgd.

Het skyhook-effect

Met behulp van deze techniek, het onderzoeksteam ontdekte dat de snelle atoomdans op het oppervlak wordt geïnitieerd door koolmonoxidemoleculen, die aan individuele palladiumatomen binden. Zodra dit gebeurt, het palladium is nauwelijks verbonden met de grond en kan bijna vrij bewegen, alsof het door de koolmonoxide naar buiten was getild. "Dit staat bekend als het skyhook-effect", zegt Zbynek Novotny (Weense Technische Universiteit). De koolmonoxide en palladium bewegen vrolijk samen over het oppervlak, totdat ze in aanvaring komen met andere 'danskoppels'. Vervolgens, ze blijven bij elkaar en vormen een klein cluster dat blijft groeien.

Hydroxyl tegen clustering?

Met de nieuwe mogelijkheid om clustering in realtime onder de microscoop te bekijken, de mechanismen kunnen nu in detail worden bestudeerd:"We hebben ontdekt dat OH-groepen aan het oppervlak het clusteringeffect kunnen onderdrukken", zegt Gareth Parkinson. Als de koolmonoxide-palladiumparen elkaar niet tegenkomen, maar zoek in plaats daarvan een OH-groep, ze komen daar vast te zitten en kunnen geen cluster vormen. Een hydroxylcoating van het oppervlak zou daarom kunnen leiden tot een significante verbetering van de stabiliteit van katalysatoren.