Las superficies metálicas desempeñan un papel como catalizadores para muchas aplicaciones importantes, desde las pilas de combustible hasta la purificación de los gases de escape de los automóviles. Sin embargo, su comportamiento se ve afectado decisivamente por los átomos de oxígeno incorporados a la superficie.

Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo, pero hasta ahora no ha sido posible investigar con precisión el papel del oxígeno en superficies complejas punto por punto para comprender el trasfondo químico a nivel atómico. Esto se ha logrado ahora en TU Wien en cooperación con un equipo del Sincrotrón Elettra en Trieste. Fue posible explicar por qué en estudios anteriores se habían obtenido resultados parcialmente contradictorios:los átomos de oxígeno no se distribuyen uniformemente, pero establecerse con especial facilidad en lugares muy específicos.

Medidas de precisión en lugar de valores medios

"Es un gran desafío examinar una superficie de metal directamente durante la catálisis, "dice el profesor Günther Rupprechter del Instituto de Química de Materiales en TU Wien." Puede, por supuesto, coloque todo el catalizador en un reactor y mida exactamente qué productos químicos se producen, pero solo obtendrá un valor promedio. No se puede saber qué sitios del catalizador contribuyeron a la reacción química y de qué manera ".

Otra posibilidad es no utilizar un catalizador real, pero un simple, muy limpio, una pieza idealizada de ella, como un pequeño cristal único, con propiedades conocidas, que luego puede estudiar bajo el microscopio. En este caso, te vuelves preciso resultados reproducibles, pero no tienen mucho que ver con aplicaciones prácticas.

El grupo de investigación dirigido por Günther Rupprechter y Yuri Suchorski combinó las ventajas de ambos enfoques. Utilizan láminas delgadas de rodio, que consisten en pequeños granos. En cada grano, los átomos de la superficie pueden disponerse de forma diferente. En un grano forman un liso, superficie regular con los átomos externos, todos exactamente en el mismo plano; junto a él, los átomos pueden organizarse para formar una estructura más complicada que consta de muchos pasos atómicos.

Los lugares favoritos de los átomos de oxígeno.

Son precisamente estos pasos los que resultan ser cruciales. "Para la actividad catalítica, el estado de oxidación del catalizador juega un papel central, es decir. si el oxígeno se adhiere a los átomos de metal o no, "dice Philipp Winkler, el primer autor del artículo. "En experimentos anteriores, Descubrimos que a menudo nos enfrentamos a un cierto estado entre 'oxidado' y 'no oxidado', una situación que es difícil de interpretar ".

Sin embargo, esto se puede entender cuando uno se da cuenta de que no todos los granos de la hoja de rodio se oxidan en el mismo grado. La oxidación comienza preferiblemente en las esquinas, bordes y escalones:allí es particularmente fácil que los átomos de oxígeno se unan a la superficie. Por lo tanto, diferentes granos con diferentes estructuras superficiales se oxidan en diferentes grados.

Microscopio electrónico y sincrotrón en Trieste

Esto podría estudiarse utilizando una combinación de tecnologías altamente desarrolladas:"En un microscopio electrónico especial, la muestra se irradia con luz ultravioleta durante la reacción catalítica y la emisión de electrones resultante se registra con una resolución espacial micrométrica, "explica Yuri Suchorski, "Esto nos permite determinar exactamente qué granos de la lámina de rodio son particularmente activos catalíticamente. Luego, la misma muestra se examina nuevamente con un microscopio completamente diferente:grano a grano con rayos X en el sincrotrón, obteniendo información muy precisa sobre la oxidación superficial de la muestra ".

Si combina ambos resultados, puede determinar exactamente qué comportamiento químico es característico de estructuras particulares. La principal ventaja:es posible examinar toda la lámina de rodio que contiene cientos de granos diferentes en un solo experimento. En lugar de estudiar pequeños cristales individuales por separado, una muestra que contiene muchas estructuras diferentes utilizadas para la catálisis se estudia en condiciones reales, y la información sobre las propiedades de estas estructuras se obtiene de una vez.

"Este es un paso importante en la investigación de catálisis, ", Dice Rupprechter." Ahora ya no tenemos que conformarnos con medir un valor promedio que describe de manera inadecuada toda la muestra, pero realmente podemos comprender en detalle qué estructuras atómicas exhiben qué efectos. Esto también permitirá mejorar específicamente importantes catalizadores que se necesitan para muchas aplicaciones en tecnología energética y medioambiental ".