Это явление известно давно, но до сих пор не было возможности точно исследовать роль кислорода на сложных поверхностях, точка за точкой, чтобы понять химический фон на атомном уровне. Теперь это было достигнуто в TU Wien в сотрудничестве с командой синхротрона Elettra в Триесте. Стало возможным объяснить, почему в предыдущих исследованиях были получены частично противоречивые результаты: атомы кислорода не распределены равномерно, а особенно легко оседают в очень специфических местах.
Прецизионные измерения вместо средних значений
«Непосредственно во время катализа исследовать металлическую поверхность – сложная задача», – говорит проф. Гюнтер Руппрехтер из Института химии материалов Венского технического университета. "Вы, конечно, можете поместить весь катализатор в реактор и точно измерить, какие химические продукты производятся, но вы получите только среднее значение. Вы не можете знать, какие участки на катализаторе способствовали химической реакции и каким образом."
Другая возможность – использовать не настоящий катализатор, а простой, очень чистый, идеализированный его кусок, например крошечный монокристалл с хорошо известными свойствами, который затем можно изучать под микроскопом.
В этом случае вы получите точные, воспроизводимые результаты, но они не имеют большого отношения к практическому применению.
Таким образом, исследовательская группа под руководством Гюнтера Руппрехтера и Юрия Сухорского объединила преимущества обоих подходов.
Они используют тонкую фольгу из родия, состоящую из мелких зерен. На каждом зерне поверхностные атомы могут располагаться по-разному. В одном зерне они образуют гладкую регулярную поверхность, в которой все внешние атомы находятся в одной плоскости; рядом с ним атомы могут располагаться, образуя более сложную структуру, состоящую из многих атомных ступеней.
Излюбленные места атомов кислорода
Именно эти шаги оказываются решающими. «Для каталитической активности центральную роль играет степень окисления катализатора – i.е. присоединяется ли кислород к атомам металла или нет ", – говорит Филипп Винклер, первый автор статьи. «В более ранних экспериментах мы обнаружили, что часто имеем дело с определенным состоянием между« окисленным »и« не окисленным »- ситуацией, которую трудно интерпретировать."
Однако это можно понять, если понять, что не каждое зерно родиевой фольги окислено в одинаковой степени. Окисление начинается предпочтительно на углах, краях и ступенях – там атомам кислорода особенно легко связываться с поверхностью.
Поэтому разные зерна с разной структурой поверхности окисляются в разной степени.
Электронный микроскоп и синхротрон в Триесте
Это можно было бы изучить, используя комбинацию высокоразвитых технологий: «В специальном электронном микроскопе образец облучается УФ-светом во время каталитической реакции, и результирующая электронная эмиссия регистрируется с микрометровым пространственным разрешением», – объясняет Юрий Сучорский. позволяет точно определить, какие зерна родиевой фольги особенно каталитически активны. Затем тот же образец снова исследуют с помощью совершенно другого микроскопа: по крупицам с помощью рентгеновских лучей на синхротроне, получая очень точную информацию об окислении поверхности образца."
Если объединить оба результата, можно точно определить, какое химическое поведение характерно для конкретных структур. Ключевое преимущество: можно исследовать всю родиевую фольгу, содержащую сотни различных зерен, в одном эксперименте,.
Вместо изучения крошечных монокристаллов по отдельности, в реальных условиях исследуется образец, содержащий множество различных структур, используемых для катализа, и сразу же получается информация о свойствах этих структур.
«Это важный шаг в исследованиях катализа», – подчеркивает Рупрехтер. «Теперь нам больше не нужно довольствоваться простым измерением среднего значения, которое неадекватно описывает весь образец, но мы действительно можем подробно понять, какие атомные структуры проявляют какие эффекты. Это также позволит специально улучшить важные катализаторы, которые необходимы для многих приложений в энергетике и экологических технологиях."