Muchos procesos técnicos, incluida la producción química, La purificación de los gases de escape y el almacenamiento químico de energía solar no serían posibles sin catalizadores. En la industria química, la gran mayoría de los productos producidos entran en contacto con al menos un catalizador heterogéneo. Dichos catalizadores son sustancias sólidas en cuyas superficies se adsorben y reaccionan sustancias gaseosas. El catalizador permite o acelera su reacción para producir el producto sin cambiarse a sí mismo. En este proceso, todavía quedan muchas preguntas sin respuesta, como en qué parte del catalizador tiene lugar realmente el proceso. Los científicos químicos alrededor del profesor Joost Wintterlin del Departamento de Química de LMU muestran que los pasos en la superficie del catalizador juegan un papel crucial. Informan sobre sus resultados en la revista Catálisis de la naturaleza .

En muchas reacciones catalizadas heterogéneamente, hay evidencia indirecta de que no toda la superficie del catalizador está activa, pero solo en áreas con defectos, como las esquinas y los bordes de las partículas de catalizador, y no las superficies lisas en el medio. "Sin embargo, aún no ha sido posible mostrar directamente si estas áreas son realmente los centros activos, porque es muy difícil analizar los procesos químicos en la superficie en condiciones de reacción, es decir., a presiones de gas de varios bares y a temperaturas elevadas, "dice Wintterlin.

Wintterlin y su equipo han estado trabajando durante algún tiempo en el desarrollo de un microscopio de túnel de barrido especial con el que se pueden examinar reacciones catalíticas en superficies en condiciones cercanas a las aplicadas en la industria. En lugar de las partículas de catalizador, que a menudo tienen un tamaño de solo unos pocos nanómetros, los científicos utilizan cristales de varios milímetros de tamaño. En el trabajo ahora publicado, los científicos también determinaron la formación de los productos de reacción catalítica en la misma muestra bajo las mismas condiciones. "Esta es la única forma de detectar correlaciones entre los elementos estructurales de la superficie mostrada bajo el microscopio y la actividad catalítica, ", dice Wintterlin." Esta combinación hace que el experimento sea particularmente difícil ". Un cromatógrafo de gases especialmente desarrollado, con el que se pueden detectar concentraciones de producto extremadamente bajas, finalmente condujo al éxito.

Como ejemplo para su análisis, los científicos eligieron la síntesis de Fischer-Tropsch, un proceso a gran escala en el que se producen hidrocarburos líquidos como el diesel sintético a partir de gas de síntesis en un catalizador de cobalto. Para este sistema, los científicos pudieron demostrar que la actividad catalítica de la muestra aumentaba cuanto más pasos atómicos había en la superficie del cristal de cobalto utilizado como catalizador. Los pasos son causados ​​por el hecho de que las capas atómicas del cristal en la superficie están incompletas. En el punto donde termina una capa, se crea un paso a la siguiente capa. Tales pasos también existen en las superficies de las pequeñas partículas de cobalto del catalizador industrial, y su actividad podría predecirse cuantitativamente con los datos del modelo catalizador. "Esta es la primera prueba directa de que estos pasos atómicos son los centros activos del catalizador, ", dice Wintterlin. Los científicos esperan que estos resultados contribuyan al desarrollo de catalizadores más eficaces.