Никакой энергетический переход без катализаторов: Самостоятельно, химические процессы, необходимые, чтобы произвести водородный газ, используя электричество, чтобы преобразовать водород назад в электроэнергию в топливных элементах или преобразовать углекислый газ в топливо, происходят слишком медленно, чтобы иметь практическое применение. Катализаторы ускоряют реакцию, не будучи израсходованным сами.
«Катализаторы имеют огромное значение для промышленности. Следовательно, у промышленности есть большой интерес к дальнейшему улучшению материалов, чтобы увеличить эффективность процессов», объясняет Алиэксэндр Бэндэренка, профессор для Физики энергетического Преобразования и Хранения в ЖИВОТЕ.Сотрудничая с его командой, химик теперь обеспечил решающую предпосылку для того, чтобы сделать так: Впервые, микроскоп туннелирования просмотра успешно использовался, чтобы исследовать поверхность во время каталитического процесса.
Этим способом было возможно определить подробно местоположения, в которых скорость реакции и следовательно деятельность катализаторов является самой высокой. Результаты были изданы в журнале Nature.На поиске активных центровВ течение долгого времени теперь исследователи подозревали, что есть отношения между поверхностной структурой и деятельностью разнородных катализаторов, где химические реакции происходят в пограничной поверхности между телом и жидкостью или газом.
Разнородные катализаторы используются, например, в электролитическом производстве водородного газа или для очистки выхлопных газов транспортного средства.«Однако химические реакции не происходят на той же самой скорости во всех местоположениях. Вместо этого есть активные центры на поверхности катализаторов», сообщает Бэндэренка. «Ранее, мы должны были полагаться на образцовые вычисления и косвенные измерения, чтобы локализовать эти центры».С новой аналитической процедурой существование активных центров может теперь быть доказано экспериментально.
Образцы с материалами катализатора – включая платину и комбинацию золота и палладия – покрыты жидким слоем электролита и исследовали использование микроскопа туннелирования просмотра.В то время как водородные ионы (т.е. протоны) получают электроны от электрода, в поверхности катализатора, и формируют водородный газ, наконечник микроскопа просматривает поверхность катализатора на расстоянии всего нескольких ангстремов. По всем пунктам «ток туннелирования», который течет между поверхностью и наконечником, теперь измерен. Компьютер, связанный с устройством, регистрирует сигналы.
«Шумная» тайна«Интересно, ток туннелирования не то же самое везде. Есть области, где ток более силен, но течет неравномерно – это ‘шумное’», сообщает Бэндэренка. Существование этого шума было известно в течение долгого времени, но до настоящего времени, никто не исследовал то, что вызывает его.
Во время оценки данных команда ЖИВОТА обнаружила отличные отношения между интенсивностью шума и дефектами на поверхности катализаторов – тщательно маленькие шаги, края или углы. «В то время как количество увеличений дефектов, также – шум – больше электронов течет и следовательно более актуальный также», объясняет Бэндэренка.Принцип фаст-фуда
Исследователю нравится сравнивать поведение ионов с тем из гостей в ресторане быстрого питания: Когда размещение неудобно, они уезжают сразу же, ничего не потребляя. С другой стороны, если места чрезвычайно удобны, они остаются усаженными в течение долгого времени, резервируя места для новых гостей.
Только, когда размещение не слишком удобно и не слишком неудобно, клиенты приезжают, едят и уезжают снова.Рассматриваемый с точки зрения химических процессов во время электролиза, это означает следующее: Если поверхность катализатора слишком химически привлекательная или отталкивающая для водородных ионов, реакция терпит неудачу. Самые эффективные области – то, где ионы привлечены, но не остаются слишком долго.Меньше соседей делает для лучших реакций
Маленькие дефекты в атомной решетке, но также и границы между материалами – например, палладии на золоте – кажется, создают эти идеальные условия для катализа. Но почему? «Наши эксперименты показывают, что количество соседних атомов и получающаяся сила связи – решающий фактор для деятельности», объясняют Оливер Шнайдер, один из соавторов публикации.Исследователи ЖИВОТА теперь намереваются использовать результаты, чтобы развивать более эффективные каталитические материалы с активными областями, которые являются как можно больше.
Это исследование финансировалось немецким Исследовательский фондом (DFG) с помощью проекта BA 5795/3-1 и группа превосходства Nanosystems Initiative Munich (NIM), а также Тойота Мотор Европа.