Určuje řád nebo neuspořádanost katalýzu?

Málo který chemický proces dnes již probíhá bez katalýzy. Převážná většina všech výrobních a přeměnových procesů v chemickém průmyslu probíhá katalyticky. Katalyzátor je látka, jejíž účast vůbec umožňuje nebo ekonomicky zajišťuje chemickou reakci. Důležitým katalytickým procesem je přeměna vzdušného kyslíku na vodu. Tato reakce se mimo jiné využívá v senzorech nebo také v korozní technologii. Význam má především pro technologii chemického ukládání energie a její přeměny v bateriích a palivových článcích. Nejvýkonnější katalyzátory pro tuto reakci jsou slitiny drahého a vzácného prvku platiny. Již léta je známo, že platínové slitiny, jejichž povrchy mají přesně definované strukturní uspořádání atomů, představují velmi aktivní katalyzátory.

„K úžasu vědy však výzkumy posledních let ukazují také, že strukturně zcela neuspořádané varianty takových platínových slitin, vzniklé opotřebením a stárnutím katalyzátorů, vykazují stejně vysokou katalytickou aktivitu,“ vysvětluje prof. Dr. Peter Strasser, vedoucí katedry „Elektrochemická katalýza a materiály“ na TU Berlín. „Tyto dva jevy však dosud působily rozporuplně.“

Nyní se týmu z TU Berlín pod vedením Petera Strassera ve spolupráci s francouzskými kolegy z univerzity Grenoble Alpes a tamního Centre national de la recherche scientifique (CNRS), se švýcarskými kolegy z ETH Zürich a z Paul Scherrer Institute, a s německými kolegy z TU Dresden podařilo vyvinout komplexnější popis těchto dvou typů katalyzátorů a jejich reakcí, který dokáže tyto rozpory objasnit.

Důležitou roli při tom hraje zkreslení povrchové struktury (Distortion), což je strukturní parametr popisující neuspořádanost v uspořádání jednotlivých atomů na povrchu platiny a zahrnuje oba typy katalyzátorů. Přísně jednotné uspořádání kovových atomů poskytuje pro tuto reakci nejlepší předpoklady pro vysokou katalytickou reaktivitu. Strukturní neuspořádanost však nabízí nejširší atomovou diverzitu na povrchu a tím i mnoho různých atomových uspořádání, z nichž může být malé množství rovněž velmi aktivní. To celkově také vede k vysoké katalytické reaktivitě. To lze názorně přirovnat k hodu na basketbalový koš: profesionální hráč dostane pokus a hodí míč do koše. To odpovídá malému počtu definovaných vzorů atomů na povrchu katalyzátoru. Ve srovnání s tím má celá školní třída, kde všechny děti současně házejí do koše, statisticky podobně vysokou pravděpodobnost, že alespoň jednoho koše dosáhnou, jako profesionál s jedním hodem. To odpovídá velkému počtu různých vzorů atomů na povrchu katalyzátoru.

Experimenty publikované nyní v časopise Nature Materials dokazují: Zvětšení povrchového zkreslení je klíčem k pochopení stárnutí původně dobře uspořádaných, aktivních katalyzátorů, díky čemuž se mění na neuspořádané, ale stále aktivní katalyzátory.

V konečném důsledku umožňuje sjednocený popis obou typů katalyzátorů nejen hlubší pochopení fungování známých katalyzátorů, ale také představuje možnost předpovídat nové, ještě výkonnější katalyzátory pro budoucí technologie ukládání a přeměny energie.

Raphaël Chattot, Olivier Le Bacq, Vera Beermann, Stefanie Kühl, Juan Herranz, Sebastian Henning, Laura Kühn, Tristan Asset, Laure Gütaz, Gilles Renou, Jakub Drnec, Pierre Bordet, Alain Pasturel, Alexander Eychmüller, Thomas J. Schmidt, Peter Strasser, Laetitia Dubau, Frédéric Maillard
Zkreslení povrchu jako sjednocující koncept a popisovač v elektrochemické katalýze redukce kyslíku
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2