Kemi live:Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop, forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) kunde för allra första gången i detalj bevittna katalysatorernas aktivitet under en elektrokemisk reaktion. Mätningarna visar hur ytstrukturen hos katalysatorerna påverkar deras aktivitet. Den nya analysmetoden kan nu användas för att förbättra katalysatorer för den elektrokemiska industrin.

Ingen energiövergång utan katalysatorer:På egen hand, de kemiska processer som krävs för att tillverka vätgas med elektricitet, att omvandla vätet tillbaka till elektrisk energi i bränsleceller, eller att omvandla koldioxid till bränsle sker för långsamt för att vara praktiskt användbar. Katalysatorer påskyndar reaktionen utan att själva förbrukas.

"Katalysatorer är av enorm betydelse för industrin. Därför industrin har ett stort intresse av att ytterligare förbättra materialen för att öka effektiviteten i processerna", förklarar Aliaksandr Bandarenka, Professor i fysik för energiomvandling och energilagring vid TUM.

Att arbeta tillsammans med sitt team, kemisten har nu gett en avgörande förutsättning för att göra det:För första gången, ett scanningstunnelmikroskop har framgångsrikt använts för att undersöka ytan under en katalytisk process. På detta sätt, det var möjligt att i detalj bestämma de platser där reaktionshastigheten och därmed aktiviteten hos katalysatorerna är högst. Resultaten har publicerats i tidskriften Natur .

På sökandet efter aktiva centra

Sedan länge, Forskare har misstänkt att det finns ett samband mellan ytstrukturen och aktiviteten hos heterogena katalysatorer, där kemiska reaktioner äger rum vid gränsytan mellan ett fast ämne och en vätska eller gas. Heterogena katalysatorer används till exempel vid elektrolytisk produktion av vätgas eller för rening av fordonsavgaser.

"Dock, de kemiska reaktionerna sker inte i samma hastighet på alla platser. Istället, det finns aktiva centra på ytan av katalysatorerna", rapporterar Bandarenka. "Tidigare, vi var tvungna att förlita oss på modellberäkningar och indirekta mätningar för att lokalisera dessa centra."

Med det nya analysförfarandet, existensen av aktiva centra kan nu bevisas experimentellt. Prover med katalysatormaterial - inklusive platina och en kombination av guld och palladium - täcks med ett flytande elektrolytskikt och undersöks med ett skanningstunnelmikroskop.

Medan vätejoner (dvs. protoner) tar emot elektroner från elektroden, vid ytan av katalysatorn, och bildar vätgas, spetsen på mikroskopet skannar ytan av katalysatorn på ett avstånd av bara några ångström. Punkt för punkt, "tunnelströmmen" som flyter mellan ytan och spetsen mäts nu. En dator som är ansluten till enheten registrerar signalerna.

Ett "bullrigt" mysterium

"Intressant, tunnelströmmarna är inte desamma överallt. Det finns områden där strömmen är starkare, men flyter ojämnt - det är "bullrigt" ", rapporterar Bandarenka. Existensen av detta buller har varit känt under lång tid, men hittills, ingen har undersökt vad det beror på.

Under utvärderingen av uppgifterna, TUM-teamet upptäckte ett distinkt förhållande mellan intensiteten av bruset och defekter på ytan av katalysatorerna - mikroskopiskt små steg, kanter, eller hörn. "När antalet defekter ökar, så gör bruset - fler elektroner flödar och därmed mer ström också", förklarar Bandarenka.

Snabbmatsprincipen

Forskaren gillar att jämföra jonernas beteende med det hos gäster på en snabbmatsrestaurang:När sittplatserna är obekväma, de går direkt utan att konsumera något. Å andra sidan, om sätena är mycket bekväma, de sitter kvar länge, blockerar platserna för nya gäster. Det är bara när sittplatserna varken är för bekväma eller för obekväma som kunder kommer, äta, och gå igen.

Sett i termer av de kemiska processerna under elektrolys, detta betyder följande:Om ytan på katalysatorn är för kemiskt attraktiv eller avvisande för vätejonerna, reaktionen bryts ner. De mest effektiva områdena är där joner attraheras, men stanna inte för länge.

Färre grannar ger bättre reaktioner

Små defekter i atomgittret, men också gränser mellan material - till exempel palladium på guld - verkar skapa dessa idealiska förutsättningar för katalys. Men varför? "Våra experiment visar att antalet närliggande atomer och den resulterande styrkan hos bindningen är en avgörande faktor för aktivitet", förklarar Oliver Schneider, en av medförfattarna till publikationen.

TUM-forskarna tänker nu använda resultaten för att utveckla effektivare katalytiska material med så stora aktiva ytor som möjligt.