En kristallin förening som kallas ruteniumdioxid används ofta i industriella processer, där det är särskilt viktigt för att katalysera en kemisk reaktion som splittrar vattenmolekyler och frigör syre. Men den exakta mekanismen som äger rum på detta materials yta, och hur den reaktionen påverkas av orienteringen av kristallytorna, hade aldrig fastställts i detalj. Nu, ett team av forskare vid MIT och flera andra institutioner har för första gången kunnat studera processen direkt på atomnivå.

De nya fynden rapporteras denna vecka i tidskriften Naturkatalys , i en artikel av MIT professor Yang Shao-Horn, nyutexaminerade studenter Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano och Jaclyn Lunger, och 10 andra på MIT, Argonne National Laboratory, och andra institutioner.

Arbetet involverade år av samarbete och en iterativ process mellan atom-för-atom datormodellering av den katalytiska processen, och precisionsexperiment inklusive några som använder en unik synkrotronröntgenanläggning i Argonne, som möjliggör sondering i atomskala av materialets yta.

"Jag tycker att den spännande aspekten av arbetet är att vi tänjer lite på gränsen för vår förståelse av katalysen av att klyva vatten, "Säger Shao-Horn. "Vi försöker lära oss vad som händer på ytsyreplatser under reagerande förhållanden, ett kritiskt steg mot att definiera de aktiva platserna för att klyva vatten."

Den katalytiska processen, känd som syreutvecklingsreaktionen, är avgörande för att producera väte och ammoniak för energianvändning, tillverkning av syntetiska kolneutrala bränslen, och framställning av metaller från metalloxider. Och för närvarande, ruteniumdioxidytor är "guldstandarden för katalysatorer för vattenspjälkning, " enligt Shao-Horn.

Även om processen att klyva vatten för att separera syreatomer från deras två anslutna väteatomer på en katalysators yta kan verka okomplicerad, på molekylär nivå, Rao säger, "det här gränssnittet är ganska komplicerat. Du har ett riktigt stort antal vattenmolekyler och din yta kan vara helt oordnad och ha flera processer som händer samtidigt." För att förstå det hela, "det första vi gör är att minska komplexiteten genom att ha riktigt väldefinierade enkristallytor" där den exakta platsen för varje atom har bestämts med hjälp av synkrotronröntgenspridning för att sondera ytan.

"Med den här tekniken, vi kan i princip zooma in i det översta lagret, " hon säger, och sedan kan de variera spänningen som appliceras på ytan för att se hur vattenoxidationsprocessen påverkas. I den nya studien, eftersom forskarna hade bestämt aktiviteten och reaktionsställena för olika ytorientering av kristallen, de kunde införliva den informationen i sin molekylära modellering på datorn. Detta gjorde det möjligt för dem att få mer insikt i energin i reaktioner som äger rum vid specifika atomkonfigurationer på ytan.

Vad de fann var att "det är mycket mer spännande, "för det finns inte bara en webbplats som är ansvarig för reaktionen, säger Rao. "Det är inte som att varje webbplats är identisk, men du har olika webbplatser som kan spela olika roller" i uppsättningen av steg i reaktionen. Olika hastighetsbestämmande steg kan vara möjliga, med de relativa hastigheterna för vattendelning påverkad av orienteringen av kristallgitterytorna exponerade, och de nya insikterna kan hjälpa till att optimera hur katalysatorer framställs för att optimera reaktionshastigheterna.

Rao säger att förståelse på molekylär nivå av inflytandet av dessa subtila skillnader kan hjälpa till vid utformningen av framtida katalysatorer som kan överträffa de högsta aktivitetsnivåerna som skulle förutsägas av de traditionella metoderna för att beskriva elektroniska strukturer.

Shao-Horn tillägger att medan deras studie tittade specifikt på ruteniumdioxid, modelleringsarbetet de gjorde kunde tillämpas på en mängd olika katalytiska processer, som alla involverade liknande reaktioner för att bryta och återskapa kemiska bindningar genom interaktioner med aktiva platser på materialets yta.

Modelleringen av ytaktivitet skulle kunna användas för att hjälpa till vid screening av nya potentiella katalytiska material för en mängd olika reaktioner, hon säger, till exempel för att hitta material som använder mindre av sällsynt, dyra element.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.