Järnoxidytan med två platinaatomer, som var och en är fäst vid en kolmonoxidmolekyl. Kredit:TU Wien
Vad händer när en katt klättrar upp på en solros? Solrosen är instabil, kommer snabbt att böjas och katten faller till marken. Men om katten bara behöver en snabb boost för att fånga en fågel därifrån, så kan solrosen fungera som ett "metastabilt mellansteg." Detta är i huvudsak den mekanism genom vilken individuella atomer i en katalysator fångar molekyler för att kemiskt omvandla dem.
För flera år sedan upptäckte Wiens tekniska högskola ytfysikgrupp att platina "enatoms"-katalysatorer kunde oxidera kolmonoxid vid temperaturer som, enligt deras teoretiska modeller, inte borde ha varit möjliga. Nu har de med hjälp av atomiska mikroskopbilder och komplexa datorsimuleringar kunnat visa att både själva katalysatorn och materialet på vilket den är förankrad antar energetiskt ogynnsamma "metastabila" tillstånd under en kort tid för att tillåta reaktionen ske på ett speciellt sätt. Resultaten har publicerats i tidskriften Science Advances .
Enskilda atomer som katalysatorer
Forskargruppen till professor Gareth Parkinson vid Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien undersöker de minsta möjliga katalysatorerna:Individuella platinaatomer placeras på en järnoxidyta. De kommer sedan i kontakt med kolmonoxidgas och omvandlas till koldioxid, som händer i en modern bilavgas.
"Denna process är tekniskt mycket viktig, men exakt vad som händer när katalysatorn reduceras i storlek till en atomgräns har inte varit klart förrän nu", säger Gareth Parkinson. "I vår forskargrupp studerar vi sådana processer på ett antal sätt:å ena sidan använder vi ett scanning tunnelmikroskop för att producera extremt högupplösta bilder på vilka man kan studera enskilda atomers rörelser. Och å andra sidan , analyserar vi reaktionsprocessen med spektroskopi och datorsimuleringar."
Huruvida platinaatomerna är aktiva som katalysator beror på temperaturen. I experimentet värms katalysatorn långsamt och jämnt tills den kritiska temperaturen uppnås, och kolmonoxid omvandlas till koldioxid. Den tröskeln är cirka 550 Kelvin. "Detta passade dock inte våra ursprungliga datorsimuleringar", säger Matthias Meier, första författare till den aktuella publikationen. "Enligt densitetsfunktionella teorin, som normalt används för sådana beräkningar, kunde processen bara ske vid 800 Kelvin. Så vi visste:Något viktigt hade förbisetts här tills nu."
Ett metastabilt tillstånd:Kortlivat, men viktigt
Under flera år samlade teamet stor erfarenhet av samma material i andra reaktioner, och som ett resultat av detta dök en ny bild upp steg för steg. "Med densitetsfunktionsteori räknar man normalt ut det tillståndet i systemet som har lägst energi", säger Matthias Meier. "Det är vettigt, eftersom det är det tillstånd som systemet oftast antar. Men i vårt fall finns det ett andra tillstånd som spelar en central roll:ett så kallat metastabilt tillstånd."
Både platinaatomerna och järnoxidytan kan växla fram och tillbaka mellan olika kvantfysikaliska tillstånd. Grundtillståndet, med lägst energi, är stabilt. När systemet ändras till det metastabila tillståndet återgår det oundvikligen till marktillståndet efter en kort tid – som att katten försöker ta sig till toppen på en instabil klätterstav. Men vid den katalytiska omvandlingen av kolmonoxid räcker det att systemet är i det metastabila tillståndet under en mycket kort tid:Precis som ett kort ögonblick i ett vingligt klättrande tillstånd kan räcka för att katten ska fånga en fågel med sin tass , kan katalysatorn omvandla kolmonoxid i det metastabila tillståndet.
När kolmonoxiden först introduceras fästs två platinaatomer till en dimer. När temperaturen är tillräckligt hög kan dimeren flytta till ett mindre gynnsamt läge där ytsyreatomerna är mindre svagt bundna. I det metastabila tillståndet ändrar järnoxiden sin atomstruktur precis vid denna punkt, och frigör den syreatom som koloxiden behöver för att bilda koldioxid, som omedelbart flyger iväg – vilket fullbordar katalysprocessen. "Om vi tar med dessa tidigare okända kortsiktiga tillstånd i vår datorsimulering får vi exakt det resultat som också uppmättes i experimentet", säger Matthias Meier.
"Vårt forskningsresultat visar att man inom ytfysik ofta behöver mycket erfarenhet", säger Gareth Parkinson. "Om vi inte hade studerat väldigt olika kemiska processer genom åren hade vi förmodligen aldrig löst det här pusslet." På senare tid har artificiell intelligens också använts med stor framgång för att analysera kvantkemiska processer — men i det här fallet, är Parkinson övertygad om, skulle det förmodligen inte ha varit framgångsrikt. För att komma på kreativa lösningar utanför vad man tidigare trodde var möjligt, behöver man förmodligen trots allt människor. + Utforska vidare
