Användningen av effektiva katalytiska medel är det som gör många tekniska procedurer möjliga i första hand. Verkligen, syntes av mer än 80 procent av de produkter som genereras inom den kemiska industrin kräver insats av specifika katalysatorer. De flesta av dessa är fasta katalysatorer, och de reaktioner de möjliggör sker mellan molekyler som adsorberar till deras ytor.

Katalysatorns specifika egenskaper tillåter utgångsmolekylerna att interagera och påskynda reaktionen mellan dem, utan att förbruka eller förändra själva katalysatorn. Dock, effektiv katalys kräver också effektiv blandning, så reaktanter måste kunna diffundera i sidled på ytan av katalysatorn för att maximera chansen att genomgå den önskade reaktionen. Under de förhållanden som används i industriella processer, dock, ytan på katalysatorn är i allmänhet så tätt packad med adsorberade partiklar att det har varit oklart hur molekyler effektivt skulle kunna diffundera överhuvudtaget. Forskare under ledning av professor Joost Winterlin vid institutionen för kemi vid Ludwig-Maximilian-Universitaet (LMU) har nu visat att, även om reaktanter faktiskt tillbringar tid praktiskt taget fångade på katalysatorns yta, lokala fluktuationer i beläggning ger ofta möjligheter att byta befattning. De nya rönen visas i den ledande tidskriften Vetenskap .

För att få insikt i de molekylära processer som äger rum på en solid state-katalysator, Winterlin och kollegor använde scanning tunneling microscopy (STM) för att övervaka rörligheten hos enskilda syreatomer på en rutenium (Ru) katalysator som var tätt packad med adsorberade kolmonoxid (CO) molekyler. "Vi valde det här systemet eftersom oxidationen av CO till CO2 på metaller som tillhör platinagruppen är en väl studerad modell för katalys av fast tillstånd i allmänhet, Winterlin förklarar. konventionell scanning tunnelmikroskopi skulle ha varit oförmögen att fånga ytdynamiken i detta reaktionssystem. Men teamet lyckades förbättra datainsamlingshastigheten, äntligen uppnå hastigheter på upp till 50 bilder per sekund – tillräckligt hög för att göra videor av dynamiken hos partiklarna på katalysatorn.

STM-bilderna avslöjade att syreatomerna är helt instängda av triangulära burar bildade av CO-molekyler adsorberade till ytan av Ru-katalysatorn. Analys av videorna visade att enstaka syreatomer bara kan hoppa mellan tre positioner som bildas av Ru-atomernas mellanrum. "Men, till vår förvåning, vi observerade också att en atom kan fly från sin bur, och plötsligt börjar diffundera genom kolmonoxidmatrisen med en hastighet som är nästan lika hög som om den vore på en helt tom yta, säger Ann-Kathrin Henß, första författaren till forskningsartikeln. I samarbete med professor Axel Groß vid Institutet för teoretisk kemi vid Ulms universitet, forskarna i München kunde koppla detta fenomen med fluktuationer i den lokala densiteten av CO på ytan, som ger upphov till regioner där molekylerna är mer eller mindre tätt packade tillsammans. När en sådan fluktuation inträffar i närheten av en syreatom, den senare kan fly från sin bur, och ta sig till en ny position. Faktiskt, denna "dörröppningsmekanism" öppnar upp diffusionsvägar så snabbt att syreatomernas rörelse genom matrisen inte nämnvärt hindras. Detta förklarar varför de nästan alltid kan hitta en ny bindningspartner för reaktionen som underlättas av katalysatorn.