Энергетический переход невозможен без катализаторов: сами по себе химические процессы, необходимые для производства газообразного водорода с использованием электричества, для преобразования водорода обратно в электрическую энергию в топливных элементах или для преобразования диоксида углерода в топливо, происходят слишком медленно, чтобы иметь практическое значение. использовать. Катализаторы ускоряют реакцию, не расходясь сами по себе.«Катализаторы имеют огромное значение для промышленности.
Следовательно, промышленность очень заинтересована в дальнейшем улучшении материалов с целью повышения эффективности процессов», — объясняет Александр Бондаренко, профессор физики преобразования и хранения энергии ТУМ. .Работая вместе со своей командой, химик создал важнейшие предпосылки для этого: впервые сканирующий туннельный микроскоп был успешно использован для исследования поверхности во время каталитического процесса. Таким образом, можно было детально определить места, в которых скорость реакции и, следовательно, активность катализаторов являются самыми высокими. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
О поиске активных центровВ течение долгого времени исследователи подозревали, что существует взаимосвязь между структурой поверхности и активностью гетерогенных катализаторов, когда химические реакции происходят на граничной поверхности между твердым телом и жидкостью или газом. Гетерогенные катализаторы используются, например, в электролитическом производстве газообразного водорода или для очистки выхлопных газов транспортных средств.«Однако химические реакции не во всех местах протекают с одинаковой скоростью.
Вместо этого на поверхности катализаторов есть активные центры», — сообщает Бондаренко. «Раньше нам приходилось полагаться на модельные расчеты и косвенные измерения, чтобы локализовать эти центры».С помощью новой процедуры анализа существование активных центров теперь может быть доказано экспериментально. Образцы с каталитическими материалами, включая платину и комбинацию золота и палладия, покрываются слоем жидкого электролита и исследуются с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
В то время как ионы водорода (то есть протоны) получают электроны от электрода на поверхности катализатора и образуют газообразный водород, наконечник микроскопа сканирует поверхность катализатора на расстоянии всего в несколько ангстрем. Точка за точкой теперь измеряется «туннельный ток», протекающий между поверхностью и наконечником. Компьютер, подключенный к устройству, регистрирует сигналы.
«Шумная» загадка«Интересно, что туннельные токи не везде одинаковы. Есть участки, где ток сильнее, но течет неравномерно -« шумно »», — сообщает Бондаренко. О существовании этого шума известно давно, но до сих пор никто не исследовал, что его вызывает.
Во время оценки данных команда TUM обнаружила четкую взаимосвязь между интенсивностью шума и дефектами на поверхности катализаторов — микроскопически небольшими ступенями, краями или углами. «По мере увеличения количества дефектов увеличивается и шум — течет больше электронов и, следовательно, больше тока», — поясняет Бондаренко.Принцип быстрого питанияИсследователь любит сравнивать поведение ионов с поведением гостей в ресторане быстрого питания: когда сидеть неудобно, они сразу уходят, ничего не съев.
С другой стороны, если сиденья чрезвычайно удобны, они остаются сидящими в течение длительного времени, блокируя места для новых гостей. Только когда сиденья не слишком удобны и не слишком неудобны, клиенты приходят, едят и снова уходят.С точки зрения химических процессов во время электролиза это означает следующее: если поверхность катализатора слишком химически привлекательна или отталкивает ионы водорода, реакция прекращается. Наиболее эффективные области — это места, где ионы притягиваются, но не остаются слишком долго.
Чем меньше соседи, тем лучше реакцияНебольшие дефекты в атомной решетке, а также границы между материалами — например, палладий на золоте — по-видимому, создают эти идеальные условия для катализа. Но почему? «Наши эксперименты показывают, что количество соседних атомов и результирующая сила связи являются решающим фактором для активности», — объясняет Оливер Шнайдер, один из соавторов публикации.Теперь исследователи TUM намерены использовать полученные данные для разработки более эффективных каталитических материалов с максимально большими активными областями.
Это исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках проекта BA 5795 / 3-1 и кластером передовой инициативы по наносистемам в Мюнхене (NIM), а также Toyota Motor Europe.