Genom att införliva enskilda metallatomer i en yta på rätt sätt kan deras kemiska beteende anpassas. Detta gör nytt, bättre katalysatorer möjligt.

De gör våra bilar mer miljövänliga och de är oumbärliga för den kemiska industrin:katalysatorer gör vissa kemiska reaktioner möjliga - till exempel omvandling av CO till CO ₂ i bilens avgaser - det skulle annars hända mycket långsamt eller inte alls. Ytfysiker vid TU Wien har nu uppnått ett viktigt genombrott; metallatomer kan placeras på en metalloxidyta så att de visar exakt det önskade kemiska beteendet. Lovande resultat med iridiumatomer har just publicerats i den kända tidskriften Angewandte Chemie .

Mindre och mindre - ända ner till den enda atomen

För bilavgaser, fasta katalysatorer såsom platina används. Gasen kommer i kontakt med metallytan, där den reagerar med andra gaskomponenter. "Endast det yttersta lagret av metallatomer kan spela en roll i denna process. Gasen kan aldrig nå atomerna inuti metallen så att de i princip går till spillo, "säger prof. Gareth Parkinson från Institute of Applied Physics vid TU Wien. Det är därför vettigt att konstruera katalysatorn inte som ett enda stort block av metall, men i form av fina granulat. Detta gör antalet aktiva atomer så högt som möjligt. Eftersom många viktiga katalysatormaterial (t.ex. platina, guld eller palladium) är mycket dyra, kostnad är en stor fråga.

I åratal, ansträngningar har gjorts för att göra katalysatorerna till finare och finare partiklar. I bästa fall, katalysatorn kan bestå av individuella katalysatoratomer, och alla skulle vara aktiva på rätt sätt. Det här är lättare sagt än gjort, dock. "När metallatomer avsätts på en metalloxidyta, de har vanligtvis en mycket stark tendens att klumpa ihop sig och bilda nanopartiklar, "förklarade Gareth Parkinson.

Istället för att fästa de aktiva metallatomerna till en yta, det är också möjligt att införliva dem i en molekyl med smart utvalda angränsande atomer. Molekylerna och reaktanterna löses sedan upp i en vätska, och de kemiska reaktionerna sker där.

Båda varianterna har fördelar och nackdelar. Katalysatorer av fast metall har en högre genomströmning, och kan köras i kontinuerlig drift. Med flytande katalysatorer, å andra sidan, det är lättare att skräddarsy molekylerna efter behov, men produkten och katalysatorn måste separeras igen efteråt.

Det bästa av båda världar

Parkinsons team på TU Wien har arbetat med att kombinera fördelarna med båda varianterna:"I åratal har vi arbetat med att bearbeta metalloxidytor på ett kontrollerat sätt och avbilda dem under mikroskopet, "säger Gareth Parkinson." Tack vare denna upplevelse, vi är nu ett av få laboratorier i världen som kan införliva metallatomer i en fast yta på ett väldefinierat sätt. "

På ungefär samma sätt som flytande katalysatormolekyler är utformade, det blir möjligt att välja de närliggande atomerna i ytan som skulle vara de mest gynnsamma ur kemisk synvinkel-och speciella ytfysiska knep gör det möjligt att införliva dem i en fast matris på en speciell järnoxidyta. Detta kan användas, till exempel, för att omvandla kolmonoxid till koldioxid.

Optimal kontroll

"En atomkatalys är en ny, extremt lovande forskningsområde, "säger Gareth Parkinson." Det har redan skett spännande mätningar med sådana katalysatorer, men än så länge var det inte riktigt känt varför de fungerade så bra. Nu, för första gången, vi har full kontroll över atomens egenskaper hos ytan och kan tydligt bevisa detta med hjälp av bilder från elektronmikroskopet. "