Química en vivo:utilizando un microscopio de efecto túnel, Los investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) pudieron por primera vez presenciar en detalle la actividad de los catalizadores durante una reacción electroquímica. Las mediciones muestran cómo la estructura superficial de los catalizadores influye en su actividad. El nuevo método de análisis ahora se puede utilizar para mejorar los catalizadores para la industria electroquímica.

Sin transición energética sin catalizadores:por sí solos, los procesos químicos necesarios para fabricar gas hidrógeno utilizando electricidad, para convertir el hidrógeno de nuevo en energía eléctrica en pilas de combustible, o convertir el dióxido de carbono en combustible se realiza con demasiada lentitud para ser de utilidad práctica. Los catalizadores aceleran la reacción sin agotarse.

"Los catalizadores son de enorme importancia para la industria. Por lo tanto, la industria tiene un gran interés en seguir mejorando los materiales con el fin de aumentar la eficiencia de los procesos ", explica Aliaksandr Bandarenka, Catedrático de Física de la Conversión y Almacenamiento de Energía en el TUM.

Trabajando junto con su equipo, el químico ha proporcionado ahora un requisito previo crucial para hacerlo:por primera vez, Se ha utilizado con éxito un microscopio de efecto túnel para examinar la superficie durante un proceso catalítico. De esta forma, fue posible determinar en detalle los lugares en los que la velocidad de reacción y, por tanto, la actividad de los catalizadores es máxima. Los hallazgos se han publicado en la revista Naturaleza .

En la búsqueda de centros activos

Desde hace mucho tiempo Los investigadores han sospechado que existe una relación entre la estructura de la superficie y la actividad de catalizadores heterogéneos, donde las reacciones químicas tienen lugar en la superficie límite entre un sólido y un líquido o gas. Los catalizadores heterogéneos se utilizan, por ejemplo, en la producción electrolítica de gas hidrógeno o para la limpieza de gases de escape de vehículos.

"Sin embargo, las reacciones químicas no tienen lugar a la misma velocidad en todos los lugares. En lugar de, hay centros activos en la superficie de los catalizadores ", informa Bandarenka. "Previamente, tuvimos que confiar en cálculos de modelos y mediciones indirectas para localizar estos centros ".

Con el nuevo procedimiento de análisis, la existencia de los centros activos ahora puede probarse experimentalmente. Las muestras con materiales catalizadores, incluido el platino y una combinación de oro y paladio, se cubren con una capa de electrolito líquido y se examinan con un microscopio de efecto túnel.

Mientras que los iones de hidrógeno (es decir, los protones) reciben electrones del electrodo, en la superficie del catalizador, y formar gas hidrógeno, la punta del microscopio escanea la superficie del catalizador a una distancia de unos pocos angstroms. Punto por punto Ahora se mide la "corriente de túnel" que fluye entre la superficie y la punta. Una computadora conectada al dispositivo registra las señales.

Un misterio "ruidoso"

"Curiosamente, las corrientes de túnel no son las mismas en todas partes. Hay zonas donde la corriente es más fuerte, pero fluye de manera desigual, es 'ruidoso' ", informa Bandarenka. La existencia de este ruido se conoce desde hace mucho tiempo, pero hasta la fecha, nadie ha investigado qué lo causa.

Durante la evaluación de los datos, el equipo de TUM descubrió una relación distinta entre la intensidad del ruido y los defectos en la superficie de los catalizadores:pasos microscópicamente pequeños, bordes o esquinas. "A medida que aumenta el número de defectos, también lo hace el ruido:fluyen más electrones y, por lo tanto, también más corriente ", explica Bandarenka.

El principio de la comida rápida

Al investigador le gusta comparar el comportamiento de los iones con el de los huéspedes de un restaurante de comida rápida:cuando los asientos son incómodos, se van enseguida sin consumir nada. Por otra parte, si los asientos son excesivamente cómodos, permanecen sentados mucho tiempo, bloqueando los asientos para nuevos invitados. Solo cuando los asientos no son ni demasiado cómodos ni demasiado incómodos, los clientes vienen, come, y vete de nuevo.

Visto en términos de los procesos químicos durante la electrólisis, esto significa lo siguiente:Si la superficie del catalizador es químicamente atractiva o repelente para los iones de hidrógeno, la reacción se rompe. Las áreas más efectivas son donde se atraen los iones, pero no te quedes por mucho tiempo.

Menos vecinos provocan mejores reacciones

Pequeños defectos en la red atómica, pero también las fronteras entre materiales, por ejemplo, paladio sobre oro, parecen crear estas condiciones ideales para la catálisis. ¿Pero por qué? "Nuestros experimentos muestran que el número de átomos vecinos y la fuerza resultante del enlace es un factor crucial para la actividad", explica Oliver Schneider, uno de los coautores de la publicación.

Los investigadores de TUM ahora tienen la intención de utilizar los hallazgos para desarrollar materiales catalíticos más efectivos con áreas activas lo más grandes posible.