Czy porządek czy nieporządek decyduje o katalizie?

Ledwo który proces chemiczny dzisiaj nie wymaga katalizy. Większość wszystkich procesów produkcyjnych i przemian w przemyśle chemicznym przebiega katalitycznie. Katalizator to substancja, której udział umożliwia lub czyni ekonomicznym sam proces chemiczny. Ważnym procesem katalitycznym jest przemiana tlenu z powietrza w wodę. Reakcja ta jest wykorzystywana między innymi w sensorach czy też w technologii korozji. Odgrywa ona szczególnie ważną rolę w technologii magazynowania i konwersji energii chemicznej w bateriach i ogniwach paliwowych. Najbardziej wydajne katalizatory do tej reakcji składają się z stopów drogiego i rzadkiego pierwiastka platyny. Od lat wiadomo, że stopy platyny, których powierzchnie zachowują precyzyjnie zdefiniowaną strukturę atomów, stanowią bardzo aktywne katalizatory.

„Ku zdumieniu nauki, badania ostatnich lat pokazują jednak również, że strukturalnie całkowicie nieuporządkowane warianty takich stopów platyny, powstałe w wyniku zużycia i starzenia się katalizatorów, wykazują równie wysoką aktywność katalityczną”, wyjaśnia prof. dr. Peter Strasser, kierownik Zakładu „Elektrochemiczna Kataliza i Materiały” na TU Berlin. „Te dwa spostrzeżenia wydawały się jednak sprzeczne.”

Teraz zespół z TU Berlin pod kierownictwem Petera Strassera, we ścisłej współpracy z francuskimi kolegami i koleżankami z Uniwersytetu Grenoble Alpes oraz z tamtejszego Centre national de la recherche scientifique (CNRS), z szwajcarskimi kolegami i koleżankami z ETH Zürich oraz z Instytutu Paula Scherera, a także z niemieckimi kolegami i koleżankami z TU Dresden, udało się opracować bardziej kompleksowy opis tych dwóch typów katalizatorów i ich reakcji, który potrafi wyjaśnić te sprzeczności.

Ważną rolę odgrywa tu zniekształcenie struktury powierzchni (Distortion), czyli parametr strukturalny opisujący nieuporządkowanie w układzie poszczególnych atomów na powierzchni platyny, obejmujący oba typy katalizatorów. Ścisłe jednolite ułożenie atomów metali zapewnia najlepsze warunki do wysokiej reaktywności katalitycznej. Jednak nieuporządkowanie strukturalne zapewnia najszerszą różnorodność atomową na powierzchni i tym samym wiele różnych ułożeń atomów, z których niewielka liczba może być równie aktywna. To również prowadzi do wysokiej reaktywności katalitycznej. Można to porównać do rzutu piłką do kosza: profesjonalny gracz oddaje jeden rzut, trafia do kosza. To odpowiada niewielkiej liczbie zdefiniowanych wzorów ułożenia atomów na powierzchni katalizatora. W porównaniu, cała klasa szkolna, która jednocześnie rzuca do kosza, statystycznie ma podobne wysokie prawdopodobieństwo trafienia przynajmniej jednego kosza, jak profesjonalista jednym rzutem. To odpowiada dużej liczbie różnych wzorów ułożenia atomów na powierzchni katalizatora.

Eksperymenty opublikowane obecnie w „Nature Materials” potwierdzają: zwiększenie zniekształcenia powierzchni jest kluczem do zrozumienia procesów starzenia się początkowo dobrze uporządkowanych, aktywnych katalizatorów, które z czasem przemieniają się w nieuporządkowane, ale nadal aktywne katalizatory.

Ostatecznie, ujednolicone opisanie obu typów katalizatorów nie tylko pogłębia zrozumienie funkcjonowania znanych katalizatorów, ale także stanowi możliwość przewidywania nowych, jeszcze bardziej wydajnych katalizatorów na potrzeby przyszłych technologii magazynowania i konwersji energii.

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
Zniekształcenie powierzchni jako uniwersalna koncepcja i opis w elektrokatalizie reakcji redukcji tlenu
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2