Voor het eerst hebben onderzoekers van de TU Wien met succes het werkingsprincipe van zogenaamde ‘promoters’ in een katalytische reactie in realtime waargenomen. Deze promoters spelen een belangrijke rol in de technologie, maar tot nu toe is er slechts beperkt inzicht in hoe ze werken.

Katalysatoren zijn essentieel voor tal van chemische technologieën, variërend van uitlaatgaszuivering tot de productie van waardevolle chemicaliën en energiedragers. Vaak worden naast katalysatoren kleine sporen van aanvullende stoffen gebruikt om ze zeer effectief te maken. Deze stoffen worden 'promotors' genoemd. Hoewel ze een cruciale rol spelen in de technologie, zijn ze notoir moeilijk te bestuderen.

In de meeste gevallen is het bepalen van de hoeveelheid promotors welke effecten op een katalysator heeft een proces van vallen en opstaan ​​geweest. Onderzoekers van de TU Wien zijn er echter in geslaagd om de rol van lanthaanpromotors bij de waterstofoxidatie direct te observeren.

Met behulp van hightech microscopiemethoden visualiseerden ze de rol van individuele La-atomen. Uit hun onderzoek bleek dat twee oppervlakken van de katalysator fungeren als pacemakers, vergelijkbaar met dirigenten in een orkest. De promotor speelt een cruciale rol in hun interactie en controleert de pacemakers. De resultaten van dit onderzoek zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Reactie live bekijken

"Veel chemische processen maken gebruik van katalysatoren in de vorm van kleine nanodeeltjes", zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie aan de TU Wien. Hoewel de prestaties van katalysatoren eenvoudig kunnen worden bepaald door de analyse van producten, kunnen met deze aanpak geen microscopische inzichten worden verkregen.

Dit is nu veranderd. Günther Rupprechter en zijn team hebben gedurende een aantal jaren geavanceerde methoden ontwikkeld waarmee individuele nanodeeltjes tijdens een chemische reactie direct kunnen worden waargenomen. Hierdoor kun je zien hoe de activiteit op verschillende locaties op deze nanodeeltjes verandert tijdens het verloop van de reactie.

"We gebruiken rhodiumnanotips die zich gedragen als nanodeeltjes", zegt Günther Rupprechter. "Ze kunnen bijvoorbeeld dienen als katalysatoren wanneer waterstof en zuurstof worden gecombineerd om watermoleculen te vormen - de reactie die we in detail onderzoeken."

Oscillerend tussen 'actief' en 'inactief'

De afgelopen jaren heeft het team van de TU Wien al aangetoond dat verschillende gebieden van nanodeeltjesoppervlakken verschillend gedrag vertonen:ze oscilleren tussen een actieve en een inactieve toestand. Soms vindt de gewenste chemische reactie op bepaalde locaties plaats, en op andere momenten niet.

Met behulp van speciale microscopen is aangetoond dat verschillende van dergelijke oscillaties parallel optreden op elk nanodeeltje, en dat ze elkaar allemaal beïnvloeden. Bepaalde gebieden van het oppervlak van nanodeeltjes, vaak slechts een paar atoomdiameters breed, spelen een belangrijkere rol dan andere:ze fungeren als zeer efficiënte 'pacemakers' en controleren zelfs de chemische oscillaties van andere gebieden.

Promoters kunnen nu ingrijpen in dit pacemakergedrag, en dat is precies wat de aan de TU Wien ontwikkelde methoden onderzoekers in staat hebben gesteld te onderzoeken. Wanneer rhodium als katalysator wordt gebruikt, kan lanthaan dienen als promotor voor katalytische reacties. Individuele lanthaanatomen werden op het kleine oppervlak van een rhodiumnanodeeltje geplaatst. Hetzelfde deeltje werd zowel in aanwezigheid als afwezigheid van de promotor onderzocht. Deze aanpak onthulde in detail het specifieke effect van individuele lanthaanatomen op de voortgang van de chemische reactie.

Lanthanum verandert alles

Maximilian Raab, Johannes Zeininger en Carla Weigl hebben de experimenten uitgevoerd. "Het verschil is enorm", zegt Maximilian Raab. "Een lanthaanatoom kan zuurstof binden, en dat verandert de dynamiek van de katalytische reactie." De kleine hoeveelheid lanthaan verandert de koppeling tussen verschillende delen van het nanodeeltje.

"Lanthanum kan bepaalde pacemakers selectief deactiveren", legt Johannes Zeininger uit. "Stel je een orkest voor met twee dirigenten. We zouden behoorlijk complexe muziek horen. De promotor zorgt ervoor dat er nog maar één pacemaker over is, waardoor de situatie eenvoudiger en overzichtelijker wordt."

Naast de metingen ontwikkelde het team, ondersteund door Alexander Genest en Yuri Suchorski, een wiskundig model om de koppeling tussen de afzonderlijke gebieden van het nanodeeltje te simuleren. Deze aanpak biedt een krachtigere manier om chemische katalyse te beschrijven dan voorheen:niet alleen op basis van input en output, maar in een complex model dat rekening houdt met hoe verschillende delen van de katalysator schakelen tussen activiteit en inactiviteit en, gecontroleerd door promoters, elkaar wederzijds beïnvloeden .

Meer informatie: Maximilian Raab et al, Lanthanum-gemoduleerde reactiepacemakers op een enkel katalytisch nanodeeltje, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen