As superfícies metálicas desempenham um papel como catalisadores para muitas aplicações importantes - de células de combustível à purificação de gases de escapamento de automóveis. Contudo, seu comportamento é decisivamente afetado pelos átomos de oxigênio incorporados à superfície.

Este fenômeno é conhecido há muito tempo, mas até agora não foi possível investigar precisamente o papel do oxigênio em superfícies complexas ponto a ponto, a fim de compreender o fundo químico no nível atômico. Isso agora foi alcançado na TU Wien em cooperação com uma equipe do Elettra Synchrotron em Trieste. Tornou-se possível explicar por que em estudos anteriores foram obtidos resultados parcialmente contraditórios:os átomos de oxigênio não estão distribuídos uniformemente, mas estabeleça-se facilmente em lugares muito específicos.

Medidas de precisão em vez de valores médios

“É um grande desafio examinar uma superfície de metal diretamente durante a catálise, "diz o Prof. Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien." Você pode, claro, coloque todo o catalisador em um reator e meça exatamente quais produtos químicos são produzidos - mas você obtém apenas um valor médio. Você não pode saber quais locais do catalisador contribuíram para a reação química e de que maneira. "

Outra possibilidade é não usar um catalisador real, mas um simples, altamente limpo, pedaço idealizado dele, como um minúsculo cristal único, com propriedades bem conhecidas, que você pode estudar sob o microscópio. Nesse caso, você é preciso, resultados reproduzíveis, mas eles não têm muito a ver com aplicações práticas.

O grupo de pesquisa liderado por Günther Rupprechter e Yuri Suchorski, portanto, combinou as vantagens de ambas as abordagens. Eles usam folhas finas de ródio, que consistem em pequenos grãos. Em cada grão, os átomos da superfície podem ser arranjados de maneira diferente. Em um grão, eles formam um liso, superfície regular com os átomos externos todos exatamente no mesmo plano; próximo a, os átomos podem se organizar para formar uma estrutura mais complicada que consiste em muitas etapas atômicas.

Os lugares favoritos dos átomos de oxigênio

São exatamente essas etapas que se revelam cruciais. "Para a atividade catalítica, o estado de oxidação do catalisador desempenha um papel central - ou seja, se o oxigênio se liga aos átomos de metal ou não, "diz Philipp Winkler, o primeiro autor do artigo. "Em experimentos anteriores, descobrimos que muitas vezes estávamos lidando com um certo estado entre 'oxidado' e 'não oxidado' - uma situação que é difícil de interpretar. "

Contudo, isso pode ser entendido quando se percebe que nem todos os grãos da folha de ródio são oxidados no mesmo grau. A oxidação começa preferencialmente nos cantos, bordas e degraus - aí é particularmente fácil para os átomos de oxigênio se ligarem à superfície. Portanto, grãos diferentes com estruturas de superfície diferentes são oxidados em graus diferentes.

Microscópio eletrônico e síncrotron em Trieste

Isso poderia ser estudado usando uma combinação de tecnologias altamente desenvolvidas:"Em um microscópio eletrônico especial, a amostra é irradiada com luz ultravioleta durante a reação catalítica e a emissão de elétrons resultante é registrada com resolução espacial micrométrica, "explica Yuri Suchorski, "isso nos permite determinar exatamente quais grãos da folha de ródio são particularmente ativos cataliticamente. A mesma amostra é então examinada novamente com um microscópio completamente diferente:grão a grão com raios-X no síncrotron, obter informações muito precisas sobre a oxidação da superfície da amostra. "

Se você combinar os dois resultados, você pode determinar exatamente qual comportamento químico é característico de estruturas específicas. A principal vantagem:é possível examinar toda a folha de ródio contendo centenas de grãos diferentes em um único experimento. Em vez de estudar minúsculos cristais únicos separadamente, uma amostra contendo muitas estruturas diferentes usadas para catálise é estudada em condições reais, e as informações sobre as propriedades dessas estruturas são obtidas imediatamente.

"Este é um passo importante na pesquisa de catálise, "Rupprechter diz." Agora não temos mais que nos contentar apenas em medir um valor médio que descreve inadequadamente toda a amostra, mas podemos realmente entender em detalhes quais estruturas atômicas exibem quais efeitos. Isso também tornará possível melhorar especificamente catalisadores importantes que são necessários para muitas aplicações em energia e tecnologia ambiental. "