De flesta kommersiella kemikalier tillverkas med katalysatorer. Vanligtvis, dessa katalysatorer består av små metallnanopartiklar som placeras på ett oxidiskt underlag. Liknar en slipad diamant, vars yta består av fasetter orienterade i olika riktningar, en katalytisk nanopartikel har också kristallografiskt olika aspekter - och dessa aspekter kan ha olika kemiska egenskaper.

Tills nu, dessa skillnader har ofta förblivit obeaktade i katalysforskningen eftersom det är mycket svårt att samtidigt få information om själva den kemiska reaktionen och om katalysatorns ytstruktur. Vid TU Wien (Wien), detta har nu uppnåtts genom att kombinera olika mikroskopiska metoder:Med hjälp av fältelektronmikroskopi och fältjonmikroskopi, det blev möjligt att visualisera oxidationen av väte på en enda rodiumnanopartikel i realtid vid nanometerupplösning. Detta avslöjade överraskande effekter som kommer att behöva beaktas i sökandet efter bättre katalysatorer i framtiden. Resultaten har nu presenterats i den vetenskapliga tidskriften Vetenskap .

Rytmen av kemiska reaktioner

"I vissa kemiska reaktioner, en katalysator kan periodiskt växla fram och tillbaka mellan ett aktivt och ett inaktivt tillstånd, " säger professor Günther Rupprechter från Institutet för materialkemi vid TU Wien. "Självunderhållande kemiska svängningar kan förekomma mellan de två staterna - kemisten Gerhard Ertl fick Nobelpriset i kemi för denna upptäckt 2007."

Detta är också fallet med rodiumnanopartiklar, som används som en katalysator för väteoxidation – grunden för varje bränslecell. Under vissa förutsättningar, nanopartiklarna kan pendla mellan ett tillstånd där syremolekyler dissocierar på partikelns yta och ett tillstånd där väte är bundet.

Inbyggt syre ändrar ytbeteendet

"När en rodiumpartikel utsätts för en atmosfär av syre och väte, syremolekylerna delas upp i individuella atomer vid rodiumytan. Dessa syreatomer kan sedan migrera under det översta rodiumskiktet och ackumuleras som syre under ytan där, " förklarar prof. Yuri Suchorski, studiens första författare.

Genom interaktion med väte, dessa lagrade syreatomer kan sedan tas ut igen och reagera med väteatomer. Sedan, det finns återigen plats för fler syreatomer inuti rodiumpartikeln och cykeln börjar igen. "Denna återkopplingsmekanism styr frekvensen av svängningarna, säger Yuri Suchorski.

Tills nu, man trodde att dessa kemiska svängningar alltid skedde synkront i samma rytm över hela nanopartikeln. Trots allt, de kemiska processerna på de olika aspekterna av nanopartikelytan är spatialt kopplade, eftersom väteatomerna lätt kan migrera från en facett till de intilliggande fasetterna.

Dock, resultaten från forskargruppen av professor Günther Rupprechter och prof. Yuri Suchorski visar att saker och ting faktiskt är mycket mer komplexa:Under vissa förhållanden, den rumsliga kopplingen lyfts och intilliggande aspekter svänger plötsligt med avsevärt olika frekvenser - och i vissa områden av nanopartikeln, dessa oscillerande "kemiska vågor" fortplantar sig inte alls.

"Detta kan förklaras i atomär skala, " säger Yuri Suchorski. "Under inflytande av syre, utskjutande rader av rodiumatomer kan komma fram från en slät yta." Dessa rader av atomer kan sedan fungera som en sorts "vågbrytare" och hindra migreringen av väteatomer från en aspekt till en annan — fasetterna blir frikopplade.

Om detta är fallet, de enskilda aspekterna kan bilda svängningar med olika frekvenser. "På olika aspekter, rodiumatomerna är olika arrangerade på ytan, " säger Günther Rupprechter. "Det är därför inkorporeringen av syre under rodiumpartikelns olika aspekter också fortskrider i olika hastigheter, och så oscillationer med olika frekvenser resulterar i kristallografiskt olika aspekter."

En hemisfärspets som en nanopartikelmodell

The key to unraveling this complex chemical behavior lays in using a fine rhodium tip as a model for a catalytic nanoparticle. An electric field is applied, and due to the quantum mechanical tunneling effect, electrons can leave the tip. These electrons are accelerated in the electric field and hit a screen, where a projection image of the tip is then created with a resolution of around 2 nanometers.

In contrast to scanning microscopies, where the surface sites are scanned one after the other, such parallel imaging visualizes all surface atoms simultaneously—otherwise it would not be possible to monitor the synchronization and desynchronization of the oscillations.

The new insights into the interaction of individual facets of a nanoparticle can now lead to more effective catalysts and provide deep atomic insights into mechanisms of non-linear reaction kinetics, pattern formation and spatial coupling.