Hat a rendezettség vagy a rendezetlenség határozza meg a katalízist?

Szinte egyik kémiai folyamat sem létezik ma már katalízis nélkül. A Kémiai Ipar összes gyártási és átalakítási folyamatának túlnyomó többsége katalitikus úton zajlik. A katalizátor olyan anyagra utal, amelynek részvétele lehetővé teszi vagy gazdaságossá teszi a kémiai reakciót. Egy fontos katalitikus folyamat a levegő oxigénjének vízzé alakítása. Ezt a reakciót többek között érzékelőkben vagy korróziótechnológiában alkalmazzák. Különösen jelentős a kémiai energiatárolás és energiaátalakítás technológiájában, például akkumulátorokban és üzemanyagcellákban. A legképességesebb katalizátorok ehhez a reakcióhoz drága és ritka platina ötvözetekből készülnek. Évek óta ismert, hogy azok a platinaötvözetek, amelyek felülete pontosan meghatározott szerkezeti rendet tartanak az atomok között, rendkívül aktív katalizátorokat alkotnak.

„A tudomány meglepetésére azonban az elmúlt évek kutatásai azt mutatják, hogy teljesen rendezetlen szerkezetű platinaötvözetek, amelyek a katalizátorok kopásából és öregedéséből keletkeznek, ugyanolyan magas katalitikus aktivitást mutatnak”, magyarázza Prof. Dr. Peter Strasser, az „Elektrokémiai katalízis és anyagok” tanszék vezetője a TU Berlinen. „Ezek a megfigyelések azonban látszólag összeegyeztethetetlenek voltak.”

Most a TU Berlin Peter Strasser által vezetett csapata szoros együttműködésben francia kollégákkal, a Grenoble Alpes Egyetem és a helyi Centre national de la recherche scientifique (CNRS) munkatársaival, valamint svájci kollégákkal az ETH Zürich-ről és a Paul Scherrer Intézetből, illetve német kollégákkal a TU Dresdenről sikerült egy átfogóbb leírást kidolgoznia ezekről a két katalizátor típusról és reakciójukról, amely képes feloldani az ellentmondásokat.

Egy fontos szerepet játszik ebben a felületi szerkezet torzulása (Distortion), amely egy szerkezeti paraméter, és leírja az atomok elrendezésében lévő rendezetlenséget a platina felületén, beleértve mindkét katalizátor típust. A szigorúan egységes fématom elrendezés a legjobb feltételeket biztosítja a magas katalitikus reakcióképességhez. A szerkezeti rendezetlenség azonban a felületen a legnagyobb atomális diverzitást kínálja, így sokféle atomrendeződés jöhet létre, amelyek közül néhány szintén nagyon aktív lehet. Ez összességében szintén magas katalitikus reakcióképességhez vezet. Ezt szemléltethetjük egy kosárba dobott kosárra hasonlítva: egy profi játékos egy próbálkozást tesz, és dob egy kosárba. Ez megfelel egy kis számú, meghatározott atommintának a katalizátor felületén. Ezzel szemben egy egész osztály, ahol minden gyerek egyszerre dob kosárba, statisztikailag hasonlóan magas valószínűséggel dob be legalább egy kosarat, mint a profi egy dobással. Ez egy nagy számú, különböző atomminta felületén lévő mintának felel meg.

A Nature Materialsban most publikált kísérletek bizonyítják: a felületi torzulás növelése kulcsfontosságú a kezdetben jól rendezett, aktív katalizátorok öregedési folyamatainak megértésében, amelyek során azok rendezetlen, de még mindig aktív katalizátorokká válnak.

Végül a két katalizátor típus egységes leírása nemcsak a már ismert katalizátorok működésének mélyebb megértését teszi lehetővé, hanem lehetőséget teremt arra is, hogy új, még hatékonyabb katalizátorokat jósoljunk a jövő energetárolási és -átalakítási technológiáihoz.

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
Felülettorzulás mint egységes fogalom és jellemző az oxigén-redukciós reakció elektrokatalízisében
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2