É preciso olhar muito de perto para entender quais processos ocorrem nas superfícies dos catalisadores. Catalisadores sólidos são muitas vezes materiais finamente estruturados feitos de cristais minúsculos. Existem várias microscopias para monitorar processos químicos em tais superfícies – elas usam, por exemplo, luz ultravioleta, raios X ou elétrons. Mas nenhum método sozinho fornece uma imagem completa.
É por isso que as equipes de pesquisa da TU Wien e do Fritz Haber Institute em Berlim desenvolveram uma nova abordagem que permite ter "olhos triplos" em uma reação catalítica - usando três microscopias de superfície diferentes. Dessa forma, eles conseguiram mostrar que durante a conversão catalítica de hidrogênio e oxigênio em água, frentes de reação na superfície do cristal não apenas formam padrões geométricos notáveis, mas também um novo mecanismo de propagação dessas frentes foi descoberto.

Para tecnologias relevantes para o clima, como a produção de energia ecologicamente limpa baseada em hidrogênio, uma compreensão abrangente de tais processos é crucial.

Diferentes medições em um único instrumento

"Muitas questões científicas só podem ser respondidas combinando diferentes métodos de microscopia na mesma amostra, que é chamada de microscopia correlativa", diz o professor Günther Rupprechter do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "No entanto, isso geralmente vem com limitações."

Você tem que remover uma amostra de um instrumento e realizar o mesmo experimento novamente em outro microscópio. Muitas vezes, por razões metodológicas, as condições experimentais são completamente diferentes – algumas medições ocorrem no vácuo, outras no ar. Muitas vezes as temperaturas são diferentes. Além disso, você pode não estar olhando para o mesmo ponto na amostra com instrumentos diferentes - isso também pode influenciar os resultados. Assim, é difícil combinar os resultados de diferentes medições de forma confiável.

Ultravioleta, raios X e elétrons

Agora, no entanto, foi possível combinar três microscopias diferentes de forma que o mesmo ponto na mesma amostra fosse examinado nas mesmas condições ambientais. Foram utilizadas três microscopias eletrônicas diferentes:duas variantes diferentes de microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM), a saber, UV-PEEM e X-PEEM, e microscopia eletrônica de baixa energia (LEEM).

Em UV-PEEM e X-PEEM, a superfície da amostra é iluminada com luz ultravioleta e raios X, respectivamente. Em ambos os casos, resulta em elétrons sendo emitidos da superfície. Semelhante à forma como os feixes de luz são focados em um microscópio óptico, os feixes de elétrons formam uma imagem em tempo real da superfície e dos processos que ocorrem lá.

Em um X-PEEM, pode-se filtrar adicionalmente os elétrons emitidos de acordo com suas energias e, assim, determinar a composição química da superfície da amostra. O acesso aos raios X necessários de alta energia e alta intensidade foi fornecido à equipe de pesquisa pelo síncrotron de Berlim (HZB BESSY II). Na técnica LEEM, a superfície é irradiada com um feixe de elétrons. Os elétrons que são retroespalhados da superfície criam a imagem em tempo real da superfície da amostra e dos processos em andamento, como uma reação catalítica.

Como as três microscopias usam mecanismos de imagem diferentes, isso permitiu estudar diferentes aspectos da oxidação catalítica do hidrogênio em um local estruturalmente idêntico da amostra, diz o professor Yuri Suchorski, que está envolvido em microscopia de superfície desde 1974. "Além disso, o X -A técnica PEEM fornece contraste químico e, portanto, nos permite correlacionar a formação do padrão na superfície com a composição química da superfície e os reagentes presentes na superfície, daí o termo microscopia correlativa."

Observando como o hidrogênio se oxida em água

Assim, tornou-se possível estudar a oxidação do hidrogênio em regiões microscópicas estruturalmente bem definidas de uma folha de ródio (determinação de estrutura por pesquisadores do USTEM de TU Wien) de forma versátil e em tempo real.

A reação se espalha pela superfície como uma onda, revelando um novo tipo de formação de padrão que nunca havia sido encontrado antes. "Em frente à frente da reação de propagação, novas pequenas ilhas de áreas cataliticamente ativas se formam, acelerando a propagação da reação", diz o Prof. Rupprechter. Em simulações de computador que fornecem microscopia de reação virtual, a equipe conseguiu modelar e explicar a formação dessas ilhas.

Através da abordagem correlativa, agora era possível usar efetivamente a força específica de cada um dos respectivos métodos de microscopia (resolução espacial e energética, campo de visão, ampliação até a faixa nanométrica) e, assim, visualizar uma reação catalítica em andamento em uma escala sem precedentes. detalhe.

A oxidação do hidrogênio em água por catalisadores sólidos é um dos processos significativos que permitem a geração de energia sem combustão e sem poluição (o gás de exaustão consiste em água pura), por exemplo, em células de combustível. Para futuros desenvolvimentos de novas tecnologias de produção de energia verde, será importante observar as reações catalíticas em andamento com vários olhos, a fim de entender profundamente os detalhes dos processos catalíticos.

A pesquisa foi publicada em ACS Catalysis . + Explorar mais

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