Actieve centra op katalysatoroppervlak

Onderzoekers aan de Technische Universität München konden met behulp van een rastertunnelmicroscoop voor het eerst de activiteit van katalysatoren tijdens een chemische reactie nauwkeurig volgen. Hun doel: efficiëntere katalysatoren ontwikkelen.

Zonder katalysatoren is er geen energietransitie. De processen die noodzakelijk zijn om waterstofgas te produceren, waterstof in brandstofcellen in elektrische energie of kooldioxide in brandstof om te zetten, zouden zonder katalysatoren veel te langzaam verlopen.

De onderzoekers in München zijn er in geslaagd met behulp van een rastertunnelmicroscoop de oppervlakken van katalysatoren tijdens een chemisch proces te onderzoeken. Op deze manier konden ze nauwkeurig bepalen op welke plaatsen de reactiesnelheid en daarmee de activiteit van de katalysatoren het hoogst is.

Structuur en activiteit

Wetenschappers onderzoeken al lange tijd de samenhangen tussen de oppervlaktestructuur en de activiteit van heterogene katalysatoren, bij welke chemische reacties aan het grensoppervlak tussen vaste stof en vloeistof respectievelijk gas plaatsvinden. Heterogene katalysatoren worden toegepast bij de elektrolytische winning van waterstofgas en bij het reinigen van de uitlaatgassen van auto's.

De chemische reacties verlopen niet overal even snel, maar er zijn aan het oppervlak van de katalysatoren actieve centra, meldden de onderzoekers. Om deze te lokaliseren waren ze tot nu tot op modelberekeningen en indirecte metingen aangewezen.

Met de nieuwe analysemethoden kunnen de actieve centra nu experimenteel worden aangetoond. Katalysatormaterialen – waaronder platina en een combinatie van goud en palladium – werden daartoe bedekt met een vloeibare elektrolytlaag en onder de rastertunnelmicroscoop onderzocht.

Terwijl waterstofionen uit het elektrolyt aan het oppervlak van de katalysator elektronen opnemen en waterstofgas vormen, bevindt de punt van de microscoop zich op slechts enkele nanometers van het katalysatoroppervlak. Punt voor punt wordt nu de 'tunnelstroom' gemeten, die tussen oppervlak en punt stroomt. Een computer registreert de signalen.

Ruis

De tunnelstromen blijken niet overal gelijk te zijn. Er zijn gebieden waarin de stroom sterker maar onregelmatig is: hij ruist. Deze ruis is al langer bekend, maar tot nu toe heeft niemand de oorzaak onderzocht. Bij het analyseren van de data stootte het team van de TUM op een eenduidige samenhang tussen de intensiteit van het ruisen en defecten aan het oppervlak van de katalysator: microscopisch kleine trapjes, kantjes of hoekjes. Met het aantal defecten neemt het ruisen toe: er stromen meer elektronen en daarmee is de stroom groter.

Het rendement is het hoogst waar de ionen naar toe worden getrokken maar niet te lang verblijven. Kleine defecten in het atoomrooster, maar ook grenzen tussen materialen – bijvoorbeeld palladium en goud – schijnen ideale condities voor de katalyse te bieden. De experimenten in München tonen aan, dat het aantal buuratomen en de daaruit resulterende sterkte van de binding beslissing is voor de activiteit.

De onderzoekers willen de resultaten gebruiken om effectieve katalysatormaterialen met een zo groot mogelijke activiteit te ontwikkelen.