比预期更复杂显微镜下的催化作用
由微小金属颗粒组成的催化剂在许多技术领域发挥着重要作用——从燃料电池到用于储能的合成燃料的生产。然而，催化剂的确切行为取决于许多细节，它们之间的相互作用通常难以理解。即使在两次制备完全相同的催化剂时，也经常会出现这两种催化剂在细微方面有所不同，因此在化学上表现非常不同。
在维也纳工业大学，科学家们试图通过对这些催化剂上不同位置发生的催化反应进行成像，并应用几种不同的显微镜技术来确定造成这种影响的原因。这种方法对催化过程产生了可靠的、微观上正确的理解。
在这样做的过程中，似乎即使是相对“简单”的催化系统也比预期的要复杂。例如，不仅是所用金属颗粒的大小或载体材料的化学性质决定了催化性能。即使在单个金属颗粒内，不同的场景也可能在微米尺度上占主导地位。结合数值模拟，可以解释和正确预测不同催化剂的行为。
并非所有粒子都是相同的
“通过使用铑颗粒作为催化剂，我们研究了未来可能的能量载体氢与氧的燃烧，形成纯水”，TU Wien 材料化学研究所的 Günther Rupprechter 教授解释道。各种参数在此过程中起着重要作用：单个铑颗粒有多大?它们与哪种支撑材料结合?反应在什么温度和什么反应物压力下发生?
“该催化剂由承载的铑颗粒制成，但它不像过去经常尝试的那样可以用一些简单的参数来描述的均匀物体，”Günther Rupprechter 强调说。“很快就清楚了，不同催化剂位置的催化行为差异很大。给定铑粒子上的给定区域可能具有催化活性，而另一个距离仅几微米的区域可能没有催化活性。而几分钟后，情况甚至可能发生逆转。”
一扫九种催化剂
对于实验，发表在著名期刊ACS Catalysis上的该研究的第一作者Philipp Winkler 博士准备了一个令人惊叹的催化剂样品，该样品包含九种不同的催化剂，具有不同大小的金属颗粒和不同的载体材料。因此，在专用设备中，可以在单个实验中同时观察和比较所有催化剂。
“使用我们的显微镜，我们可以确定催化剂是否具有催化活性、它的化学成分和电子特性——以及样品上每个单独的点，”Philipp Winkler 说。“相比之下，传统方法通常只测量整个样本的平均值。然而，正如我们已经证明的那样，这通常远远不够。”
比预期的还要复杂
微观尺度的化学分析表明，催化剂成分的局部变化甚至超过预期：即使在单个金属颗粒内也观察到了强烈的差异。“支撑材料的原子可以迁移到颗粒上或颗粒内，甚至形成表面合金”，Günther Rupprechter 说。“在某些时候，甚至不再有明确的界限，而是催化剂颗粒和载体材料之间的连续过渡。考虑这一事实至关重要——因为它也会影响化学活性。”
下一步，TU Wien 的团队将应用获得的见解和成功的方法来解决更复杂的催化过程，继续他们的任务是在微观尺度上解释过程，为改进催化剂的开发做出贡献，并寻找新的催化剂。
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