Katalysatorer är oumbärliga för många tekniker. För att ytterligare förbättra heterogena katalysatorer, det krävs att analysera de komplexa processerna på deras ytor, var de aktiva platserna finns. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT), tillsammans med kollegor från Spanien och Argentina, har nu nått avgörande framsteg:Som rapporterats i Fysiska granskningsbrev , de använder beräkningsmetoder med så kallade hybridfunktioner för tillförlitlig tolkning av experimentella data.

Många viktiga tekniker, såsom processer för energiomvandling, minskning av utsläpp, eller tillverkning av kemikalier, arbeta endast med lämpliga katalysatorer. Av denna anledning, högeffektiva material för heterogen katalys blir allt viktigare. Vid heterogen katalys, materialet som fungerar som katalysator och de reagerande ämnena finns i olika faser som fast eller gas, till exempel. Materialsammansättningar kan bestämmas tillförlitligt med olika metoder. Processer som äger rum på katalysatorytan, dock, kan detekteras med knappt någon analysmetod. "Men det är dessa mycket komplexa kemiska processer på den yttersta ytan av katalysatorn som är av avgörande betydelse, säger professor Christof Wöll, Chef för KIT:s Institute of Functional Interfaces (IFG). "Där, de aktiva platserna finns, där den katalyserade reaktionen äger rum."

Exakt undersökning av ytan på pulverkatalysatorer

Bland de viktigaste heterogena katalysatorerna är ceriumoxider, dvs föreningar av den sällsynta jordartsmetallen cerium med syre. De finns i pulverform och består av nanopartiklar med kontrollerad struktur. Nanopartiklarnas form påverkar avsevärt katalysatorns reaktivitet. För att studera processerna på ytan av sådana pulverkatalysatorer, Forskare började nyligen använda sondmolekyler, som kolmonoxidmolekyler, som binder till nanopartiklarna. Dessa sönder mäts sedan med infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi (IRRAS). Infraröd strålning får molekyler att vibrera. Från vibrationsfrekvenserna hos sondmolekylerna, detaljerad information kan erhållas om typen och sammansättningen av de katalytiska platserna. Än så länge, dock, tolkningen av experimentella IRRAS-data har varit mycket svår, eftersom tekniskt relevanta pulverkatalysatorer har många vibrationsband, vars exakta tilldelning är utmanande. Teoretiska beräkningar hjälpte inte, eftersom avvikelsen från experimentet, även när det gäller modellsystem, var så stor att experimentellt observerade vibrationsband inte kunde tilldelas exakt.

Lång beräkningstid - hög noggrannhet

Forskare vid KIT:s Institute of Functional Interfaces (IFG) och Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT), i samarbete med kollegor från Spanien och Argentina koordinerat av Dr. M. Verónica Ganduglia-Pirovano från Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) i Madrid, har nu identifierat och löst ett stort problem med teoretisk analys.

Som rapporterats i Fysiska granskningsbrev , systematiska teoretiska studier och validering av resultaten med modellsystem visade att teoretiska metoder som hittills använts har några grundläggande svagheter. I allmänhet, sådana svagheter kan observeras i beräkningar med densitetsfunktionella teorin (DFT), en metod med vilken det kvantmekaniska grundtillståndet för ett multielektronsystem kan bestämmas baserat på elektronernas densitet. Forskarna fann att svagheterna kan övervinnas med så kallade hybridfunktioner som kombinerar DFT med Hartree-Fock-metoden, en approximationsmetod inom kvantkemi.

Detta gör beräkningarna mycket komplicerade, men också mycket exakt. "Beräkningstiderna som krävs för dessa nya metoder är längre med en faktor 100 än för konventionella metoder, " säger Christof Wöll. "Men denna nackdel kompenseras mer än väl av den utmärkta överensstämmelsen med experimentsystemen." forskarna visade detta framsteg som kan bidra till att göra heterogena katalysatorer mer effektiva och hållbara.