В недавнем исследовании с участием исследователей LMU впервые была успешно визуализирована десорбция молекул кислорода с поверхности серебра. Эффекты объясняют недостатки традиционных моделей десорбции.
В гетерогенных каталитических реакциях, которые происходят в пограничном слое между твердой и газовой фазами, продукты в конечном итоге должны десорбироваться с поверхности твердого тела.
Это происходит, например, в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов в автомобилях. Исследовательская группа во главе с профессорами Йостом Винттерлином (LMU, Мюнхен), Себастьяном Гюнтером (TU, Мюнхен) и доктором. Андреа Локателли (Syncrotron Elettra, Триест) впервые изобразил такой процесс десорбции в микроскопических деталях.
Как они сообщают в «Nature Communications», их результаты объясняют, почему обычные расчеты скорости десорбции часто неверны.
При гетерогенном катализе катализатор представляет собой твердое тело, e.грамм., металл или оксид металла, на котором адсорбируются реагенты.
Каталитическая реакция происходит на поверхности, и затем продукты самопроизвольно десорбируются. В отличие от сложных процессов, происходящих на поверхности во время самой каталитической реакции, процесс десорбции считался относительно простым: реагенты получают тепловую энергию от твердой поверхности и десорбируются, как только эта энергия превышает энергию связи с поверхностью. Эта картина предполагает, что десорбция – это чисто статистический процесс, который зависит только от количества молекул. «Однако во многих случаях скорости десорбции, рассчитанные с использованием этой модели, не согласуются с экспериментально определенными значениями», – говорит Йост Винттерлин.
Визуализация с нанометровым разрешением
Эксперименты, проведенные Гюнтером, Винттерлином и их коллегами, показывают, что важно не только количество адсорбированных молекул, но и их пространственное распределение на поверхности. В своем исследовании команда использовала низкоэнергетическую электронную микроскопию (LEEM), которая позволяет получать изображения твердых поверхностей с нанометровым разрешением, чтобы следить за тем, что происходит в процессе температурно-индуцированной десорбции. LEEM работает так же, как обычная электронная микроскопия.
Единственное отличие состоит в том, что энергичные электроны, образующие пучок, тормозятся непосредственно перед тем, как они ударяются о поверхность образца. С помощью этого метода исследователи смогли отслеживать десорбцию кислорода с поверхности серебра.
«Оказалось, что во время десорбции слой поглощенных молекул распадается на множество изолированных островов, и десорбция происходит исключительно с краев этих островов», – говорит Себастьян Гюнтер. Кроме того, распределение островков по размерам зависит от предварительной обработки поверхности серебра. «Вместе эти эффекты объясняют расхождения между теоретическими предсказаниями и экспериментальными измерениями скорости десорбции, о которых сообщалось в более ранних исследованиях.
Они, вероятно, играют роль во многих других процессах, связанных с десорбцией с поверхностей, и могут изменить наши представления о процессах на каталитических поверхностях », – добавляет Гюнтер.