Metallytor spelar en roll som katalysatorer för många viktiga tillämpningar – från bränsleceller till rening av bilavgaser. Dock, deras beteende påverkas avgörande av syreatomer som ingår i ytan.

Detta fenomen har varit känt under lång tid, men hittills har det inte varit möjligt att exakt undersöka syrets roll i komplexa ytor punkt för punkt för att förstå den kemiska bakgrunden på atomnivå. Detta har nu uppnåtts vid TU Wien i samarbete med ett team från Elettra Synchrotron i Trieste. Det blev möjligt att förklara varför i tidigare studier delvis motsägelsefulla resultat hade erhållits:syreatomerna är inte jämnt fördelade, men slå sig ner särskilt lätt på mycket specifika platser.

Precisionsmätningar istället för medelvärden

"Det är en stor utmaning att undersöka en metallyta direkt under katalys, " säger Prof. Günther Rupprechter från Institutet för materialkemi vid TU Wien. "Du kan, självklart, sätt in hela katalysatorn i en reaktor och mät exakt vilka kemiska produkter som produceras — men du får bara ett medelvärde. Du kan inte veta vilka platser på katalysatorn som bidrog till den kemiska reaktionen och på vilket sätt."

En annan möjlighet är att inte använda en riktig katalysator, men en enkel, mycket rent, idealiserad del av det - som en liten enkristall, med välkända egenskaper, som du sedan kan studera under mikroskopet. I detta fall, du blir exakt, reproducerbara resultat, men de har inte mycket med praktiska tillämpningar att göra.

Forskargruppen ledd av Günther Rupprechter och Yuri Suchorski kombinerade därför fördelarna med båda tillvägagångssätten. De använder tunna folier gjorda av rodium, som består av små korn. På varje korn, ytatomerna kan ordnas olika. I ett korn, de bildar en slät, regelbunden yta med de yttre atomerna alla i exakt samma plan; bredvid den, atomerna kan ordna sig för att bilda en mer komplicerad struktur bestående av många atomsteg.

Syreatomernas favoritplatser

Det är just dessa steg som visar sig vara avgörande. "För den katalytiska aktiviteten, oxidationstillståndet för katalysatorn spelar en central roll – dvs. om syre fäster sig på metallatomerna eller inte, säger Philipp Winkler, tidningens första författare. "I tidigare experiment, vi fann att vi ofta hade att göra med ett visst tillstånd mellan 'oxiderat' och 'icke oxiderat' – en situation som är svår att tolka."

Dock, detta kan förstås när man inser att inte alla korn av rodiumfolien oxideras i samma grad. Oxidationen börjar helst vid hörn, kanter och steg — där är det särskilt lätt för syreatomerna att binda till ytan. Därför, olika korn med olika ytstrukturer oxideras i olika grad.

Elektronmikroskop och synkrotron i Trieste

Detta skulle kunna studeras med en kombination av högt utvecklade teknologier:"I ett speciellt elektronmikroskop, provet bestrålas med UV-ljus under den katalytiska reaktionen och den resulterande elektronemissionen registreras med mikrometer spatial upplösning, " förklarar Yuri Suchorski, "Detta tillåter oss att bestämma exakt vilka korn av rodiumfolien som är särskilt katalytiskt aktiva. Samma prov undersöks sedan igen med ett helt annat mikroskop:korn för korn med röntgenstrålar vid synkrotronen, få mycket exakt information om provets ytoxidation."

Om du kombinerar båda resultaten, du kan bestämma exakt vilket kemiskt beteende som är karakteristiskt för vissa strukturer. Den viktigaste fördelen:Det är möjligt att undersöka hela rodiumfolien som innehåller hundratals olika korn i ett enda experiment. Istället för att studera små enkristaller separat, ett prov som innehåller många olika strukturer som används för katalys studeras under verkliga förhållanden, och information om egenskaperna hos dessa strukturer erhålls på en gång.

"Detta är ett viktigt steg i katalysforskning, ", säger Rupprechter. "Vi behöver nu inte längre nöja oss med att bara mäta ett medelvärde som otillräckligt beskriver hela provet, men vi kan verkligen förstå i detalj vilka atomära strukturer som uppvisar vilka effekter. Detta kommer också att göra det möjligt att specifikt förbättra viktiga katalysatorer som behövs för många applikationer inom energi- och miljöteknik."