Kredit:Leiden University
Efter nästan fyra decennier, Leiden och Eindhoven kemister har löst diskussionen om den korrekta modellen angående den enklaste kemiska reaktionen vid heterogen katalys, vilket är viktigt för bränsleceller. Med en unik krökt platinayta, Ludo Juurlink och doktorand kandidaten Richard van Lent från Leiden och Michael Gleeson från DIFFER visade vilken modell som korrekt beskriver reaktionen av väte. De publicerade sina fynd i Vetenskap den 11 januari.
I nästan fyra decennier har det varit en het debatt i den kemiska litteraturen:vilken av de två existerande modellerna för reaktion av väte till en platinkatalysator är korrekt (se ruta)? Traditionella metoder var inte tillräckliga för att bevisa detta. Leidens kemist Ludo Juurlink och Michael Gleeson från Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) beslutade att utveckla en ny metod för att tillhandahålla avgörande bevis, som visade sig vara framgångsrik.
De två existerande modellerna för heterogen katalys ger olika förutsägelser om hur reaktionen av väte beror på strukturen på platinaytan. Genom mätningar kunde forskarna bestämma vätgas reaktivitet och därmed bevisa vilken modell som är korrekt. Den böjda platina -kristallen var avgörande för detta, som gjordes av det nederländska företaget i Zaandam för första gången. "Eftersom platinaytan är krökt, atomstrukturen förändras mycket gradvis längs ytan, "förklarar Juurlink." Du kan jämföra denna struktur med en trappa, vars steg mot kanterna blir smalare och smalare. I mitten ser det mer ut som en balsal. "Det visade sig att vätgas reaktivitet var linjärt beroende av hur nära stegen är varandra. Ju längre från varandra stegen var, desto mindre reaktivt väte var. "Och så är modellen som förutspådde ett icke-linjärt beteende felaktig, " han säger.
En katalysator påskyndar en kemisk reaktion utan att konsumeras. Vid heterogen katalys, katalysatorn är vanligtvis en fast substans och reaktanterna en gas eller vätska. Juurlink förklarar skillnaden mellan de två modellerna:"De två modellerna bygger på olika antaganden om hur kinetisk energi från vätemolekylen" läcker bort "under kollisionen med platinaytan." För att klargöra detta, han ger ett exempel:'Om en hund är i ett ishål, han kan ha hamnat där på två sätt. Antingen gled han över isen från sidan och föll ner i ishålet, eller han hoppade direkt in i ishålet från sidan. ' Deras forskning visar nu att vätemolekyler huvudsakligen reagerar direkt ur gasfasen vid platskantens stegkant (modell 2). Modell 1, det förutsätter att de flesta molekyler hamnar vid kanterna genom att ”åka” över den platta platinaytan och först då reagera är därför inte korrekt. Forskarna såg skillnader mellan de två olika typerna av kanter (röda och blåa) som förekommer naturligt på platinakatalysatorer. Väte kan landa på toppen eller botten av en sådan kant. För båda typerna av stegkanter, forskarna kan bestämma vilken del som reagerar direkt på ovansidan (som visas i blått) eller först landar på undersidan (som i rött). Kredit:Leiden University
Forskningen genomfördes i ultrahögt vakuum och ger viktiga insikter. "Vi vet nu bättre hur vi beräknar hastigheten på kemiska reaktioner - en av modellerna bidrar inte nämnvärt, "säger Juurlink." Dessutom, vi vet nu att dessa böjda kristallytor erbjuder en unik, nytt tillfälle att lära sig hur kemiska reaktioner faktiskt uppstår på ytor. Vi kommer säkert att göra mer forskning med det. "
Nästan alla stora kemiska industriella processer använder heterogen katalys. Katalysatorer är ibland dyra och sällsynta, som platina, en vanlig katalysator som finns i bränsleceller och bilavgassystem. "Det ovanliga är att vi vanligtvis inte ens riktigt vet hur och varför sådana katalysatorer påskyndar kemiska reaktioner, "säger Juurlink. Bättre inblick i detta hur och varför kommer att bidra till att göra den kemiska industrin mer hållbar." Baserat på en bättre förståelse för vad som händer på atomnivå, vi kan utveckla nya katalysatorer, " says Juurlink. "Catalysts that cause less energy loss and are less dependent on expensive and rare materials."
