För första gången har forskare vid TU Wien framgångsrikt observerat funktionsprincipen för så kallade "promotorer" i en katalytisk reaktion i realtid. Dessa promotorer spelar en viktig roll inom teknik, men än så länge finns det bara begränsad förståelse för hur de fungerar.
Katalysatorer är avgörande för många kemiska teknologier, allt från avgasrening till produktion av värdefulla kemikalier och energibärare. Ofta används små spår av ytterligare ämnen tillsammans med katalysatorer för att göra dem mycket effektiva. Dessa substanser kallas "promotorer". Samtidigt som de har spelat en avgörande roll inom tekniken har de varit notoriskt svåra att studera.
I de flesta fall har det varit en trial-and-error-process att bestämma vilken kvantitet promotorer som har vilka effekter på en katalysator. Men forskare vid TU Wien har lyckats direkt observera lantanpromotorernas roll i väteoxidation.
Med hjälp av högteknologiska mikroskopimetoder visualiserade de rollen av individuella La-atomer. Deras studie avslöjade att två ytområden av katalysatorn fungerar som pacemaker, liknande dirigenter i en orkester. Promotorn spelar en viktig roll i deras interaktion och kontrollerar pacemakrarna. Resultaten av denna studie har nu publicerats i tidskriften Nature Communications .
"Många kemiska processer använder katalysatorer i form av små nanopartiklar", säger professor Günther Rupprechter från Institutet för materialkemi vid TU Wien. Även om prestanda hos katalysatorer lätt kan bestämmas genom analys av produkter, kan mikroskopiska insikter inte uppnås genom detta tillvägagångssätt.
Detta har ändrats nu. Under flera år har Günther Rupprechter och hans team utvecklat sofistikerade metoder som gör det möjligt att direkt observera enskilda nanopartiklar under en kemisk reaktion. Detta gör det möjligt att se hur aktiviteten förändras på olika platser på dessa nanopartiklar under reaktionens gång.
"Vi använder rodium nanotips som beter sig som nanopartiklar", säger Günther Rupprechter. "De kan fungera som katalysatorer, till exempel när väte och syre kombineras för att bilda vattenmolekyler - reaktionen vi undersöker i detalj."
Under de senaste åren har TU Wien-teamet redan visat att olika regioner av nanopartikelytor uppvisar olika beteenden:de pendlar mellan ett aktivt och ett inaktivt tillstånd. Ibland inträffar den önskade kemiska reaktionen på vissa ställen, medan den inte gör det vid andra tillfällen.
Med hjälp av dedikerade mikroskop har det visat sig att olika sådana svängningar förekommer på varje nanopartikel parallellt, och de påverkar alla varandra. Vissa områden på nanopartikelytan, ofta bara några få atomdiametrar breda, spelar en viktigare roll än andra:de fungerar som mycket effektiva "pacemakers" och kontrollerar till och med de kemiska svängningarna i andra regioner.
Promotorer kan nu blanda sig i detta pacemakerbeteende, och det är precis vad metoderna som utvecklats vid TU Wien har gjort det möjligt för forskare att undersöka. När rodium används som katalysator kan lantan tjäna som en promotor för katalytiska reaktioner. Individuella lantanatomer placerades på den lilla ytan av en rodiumnanopartikel. Samma partikel undersöktes både i närvaro och frånvaro av promotorn. Detta tillvägagångssätt avslöjade i detalj den specifika effekten av enskilda lantanatomer på förloppet av den kemiska reaktionen.
Maximilian Raab, Johannes Zeininger och Carla Weigl har utfört experimenten. "Skillnaden är enorm", säger Maximilian Raab. "En lantanatom kan binda syre, och det förändrar dynamiken i den katalytiska reaktionen." Den lilla mängden lantan förändrar kopplingen mellan olika områden av nanopartikeln.
"Lanthanum kan selektivt inaktivera vissa pacemakers", förklarar Johannes Zeininger. "Föreställ dig en orkester med två dirigenter – vi skulle höra ganska komplex musik. Promotorn ser till att det bara finns en pacemaker kvar, vilket gör situationen enklare och mer ordnad."
Utöver mätningarna utvecklade teamet, med stöd av Alexander Genest och Yuri Suchorski, en matematisk modell för att simulera kopplingen mellan nanopartikelns individuella områden. Detta tillvägagångssätt erbjuder ett mer kraftfullt sätt att beskriva kemisk katalys än tidigare:inte bara baserat på input och output, utan i en komplex modell som tar hänsyn till hur olika områden av katalysatorn växlar mellan aktivitet och inaktivitet och, kontrollerade av promotorer, ömsesidigt påverkar varandra .
Mer information: Maximilian Raab et al, Lanthanum-modulerade reaktionspacemakers på en enda katalytisk nanopartikel, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43026-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
