Många tekniska processer, inklusive kemisk produktion, avgasrening och kemisk lagring av solenergi skulle inte vara möjlig utan katalysatorer. Inom den kemiska industrin, de allra flesta produkter som produceras kommer i kontakt med minst en heterogen katalysator. Sådana katalysatorer är fasta ämnen på vars ytor gasformiga ämnen adsorberar och reagerar. Katalysatorn möjliggör eller påskyndar deras reaktion för att producera produkten utan att ändra sig själv. I denna process, det finns fortfarande många obesvarade frågor, såsom var på katalysatorn processen faktiskt äger rum. Kemiforskare kring professor Joost Winterlin vid Kemiska institutionen vid LMU visar att steg på katalysatorytan spelar en avgörande roll. De rapporterar om sina resultat i tidskriften Naturkatalys .

I många heterogent katalyserade reaktioner, det finns indirekta bevis för att inte hela katalysatorytan är aktiv, men bara i områden med defekter, såsom hörnen och kanterna på katalysatorpartiklarna, och inte de släta ytorna däremellan. "Dock, det har ännu inte varit möjligt att direkt visa om dessa områden verkligen är de aktiva centra, eftersom det är mycket svårt att analysera de kemiska processerna på ytan under reaktionsförhållanden, dvs. vid gastryck på flera bar och vid förhöjda temperaturer, säger Winterlin.

Winterlin och hans team har under en tid arbetat med utvecklingen av ett speciellt skanningstunnelmikroskop med vilket katalytiska reaktioner på ytor kan undersökas under förhållanden nära de som tillämpas inom industrin. Istället för katalysatorpartiklarna, som ofta bara är några nanometer stora, forskarna använder kristaller som är flera millimeter stora. I det nu publicerade arbetet, forskarna bestämde också bildandet av de katalytiska reaktionsprodukterna på samma prov under samma förhållanden. "Detta är det enda sättet att upptäcka korrelationer mellan de strukturella elementen på ytan som visas under mikroskopet och den katalytiska aktiviteten, " säger Winterlin. "Denna kombination gör experimentet särskilt svårt." En specialutvecklad gaskromatograf, med vilka extremt låga produktkoncentrationer kan detekteras, slutligen ledde till framgång.

Som ett exempel för deras analys, forskarna valde Fischer-Tropsch-syntesen, en storskalig process där flytande kolväten som syntetisk diesel framställs av syntesgas på en koboltkatalysator. För detta system, forskarna kunde visa att den katalytiska aktiviteten hos provet ökade ju fler atomsteg det fanns på ytan av koboltkristallen som användes som katalysator. Stegen orsakas av det faktum att kristallens atomskikt på ytan är ofullständiga. Vid den punkt där ett lager slutar, ett steg till nästa lager skapas. Sådana steg finns också på ytorna av de små koboltpartiklarna i den industriella katalysatorn, och dess aktivitet kunde kvantitativt förutsägas med data från modellkatalysatorn. "Detta är det första direkta beviset på att dessa atomstegen är katalysatorns aktiva centra, " säger Winterlin. Forskarna hoppas att dessa resultat kan bidra till utvecklingen av mer effektiva katalysatorer.