Genom att studera material ner till atomnivå, forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har hittat ett sätt att göra katalysatorer mer effektiva och miljövänliga. Resultaten har publicerats i Naturkommunikation . Metoderna kan användas för att förbättra många olika typer av katalysatorer.

Katalysatorer är material som orsakar eller påskyndar kemiska reaktioner. För de flesta av oss, vår första tanke är förmodligen på katalysatorer i bilar, men katalysatorer används inom en rad samhällsområden – man har uppskattat att katalysatorer används vid tillverkning av mer än 90 procent av alla kemikalier och bränslen. Oavsett hur de används, katalysatorer fungerar genom komplexa atomära processer. I den nya studien från Chalmers tekniska högskola, fysikforskare kombinerade två metoder för att lägga till en ny bit till katalysatorpusslet. De använde avancerade, högupplöst elektronmikroskopi och nya typer av datorsimuleringar.

"Det är fantastiskt att vi har lyckats tänja på gränserna och uppnå en sådan precision med elektronmikroskopi. Vi kan se exakt var och hur atomerna är ordnade i strukturen. Genom att ha pikometerprecision – dvs. en precisionsnivå ner till en hundradelar av en atoms diameter – vi kan så småningom förbättra materialegenskaperna och därmed den katalytiska prestandan, säger Torben Nilsson Pingel, forskare vid institutionen för fysik på Chalmers och en av författarna till den vetenskapliga artikeln.

Genom detta arbete, han och hans kollegor har lyckats visa att förändringar på pikometernivå i atomavstånd i metalliska nanopartiklar påverkar katalytisk aktivitet. Forskarna tittade på nanopartiklar av platina med hjälp av sofistikerade elektronmikroskop i Chalmers Material Analysis Laboratory. Med metodutveckling av Andrew Yankovich, forskarna har kunnat förbättra noggrannheten och kan nu till och med nå subpiometerprecision. Deras resultat har nu breda konsekvenser.

"Våra metoder är inte begränsade till specifika material utan istället baserade på allmänna principer som kan tillämpas på olika katalytiska system. Eftersom vi kan designa materialen bättre, vi kan få både mer energieffektiva katalysatorer och en renare miljö, säger Eva Olsson, Professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Arbetet har utförts inom ramen för Kompetenscentrum för Katalys på Chalmers. För att studera hur små förändringar i atomavstånd verkligen påverkar den katalytiska processen, Mikkel Jørgensen och Henrik Grönbeck, Ph.D. student och professor vid institutionen för fysik respektive, utfört avancerade datorsimuleringar vid det nationella datacentret, belägen på Chalmers. Med hjälp av informationen från mikroskopet, de kunde simulera exakt hur den katalytiska processen påverkas av små förändringar i atomavstånd.

"Vi utvecklade en ny metod för att göra simuleringar för katalytiska processer på nanopartiklar. Eftersom vi har kunnat använda verkliga värden i vår beräkningsmodell, vi kan se hur reaktionen kan optimeras. Katalys är ett viktigt teknikområde, så varje förbättring är ett värdefullt framsteg – både ekonomiskt och miljömässigt, säger Henrik Grönbeck.

Artikeln, "Påverkan av atomär platsspecifik stam på katalytisk aktivitet hos stödda nanopartiklar, " har publicerats i Naturkommunikation .