Molti processi tecnici, compresa la produzione chimica, la purificazione dei gas di scarico e lo stoccaggio chimico dell'energia solare non sarebbero possibili senza catalizzatori. Nell'industria chimica, la stragrande maggioranza dei prodotti realizzati entra in contatto con almeno un catalizzatore eterogeneo. Tali catalizzatori sono sostanze solide sulle cui superfici si adsorbono e reagiscono sostanze gassose. Il catalizzatore consente o accelera la loro reazione per produrre il prodotto senza modificarsi. In questo processo, ci sono ancora molte domande senza risposta, come dove sul catalizzatore avviene effettivamente il processo. Gli scienziati chimici intorno al professor Joost Wintterlin del Dipartimento di Chimica della LMU mostrano che i passaggi sulla superficie del catalizzatore svolgono un ruolo cruciale. Riportano i loro risultati sulla rivista Catalisi della natura .

In molte reazioni catalizzate in modo eterogeneo, ci sono prove indirette che non l'intera superficie del catalizzatore è attiva, ma solo nelle aree con difetti, come gli angoli e i bordi delle particelle di catalizzatore, e non le superfici lisce in mezzo. "Però, non è stato ancora possibile dimostrare direttamente se queste aree siano davvero i centri attivi, perché è molto difficile analizzare i processi chimici sulla superficie in condizioni di reazione, cioè., a pressioni del gas di diversi bar e a temperature elevate, "dice Winterlin.

Wintterlin e il suo team stanno lavorando da tempo allo sviluppo di uno speciale microscopio a scansione a effetto tunnel con il quale è possibile esaminare le reazioni catalitiche sulle superfici in condizioni simili a quelle applicate nell'industria. Invece delle particelle di catalizzatore, che spesso misurano solo pochi nanometri, gli scienziati usano cristalli di diversi millimetri di dimensione. Nel lavoro ora pubblicato, gli scienziati hanno anche determinato la formazione dei prodotti della reazione catalitica sullo stesso campione nelle stesse condizioni. "Questo è l'unico modo per rilevare le correlazioni tra gli elementi strutturali della superficie mostrati al microscopio e l'attività catalitica, " dice Wintterlin. "Questa combinazione rende l'esperimento particolarmente difficile." Un gascromatografo appositamente sviluppato, con cui si possono rilevare concentrazioni di prodotto estremamente basse, finalmente portato al successo.

Come esempio per la loro analisi, gli scienziati hanno scelto la sintesi Fischer-Tropsch, un processo su larga scala in cui gli idrocarburi liquidi come il diesel sintetico sono prodotti da gas di sintesi su un catalizzatore di cobalto. Per questo sistema, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che l'attività catalitica del campione aumentava con il numero di passaggi atomici presenti sulla superficie del cristallo di cobalto utilizzato come catalizzatore. I passaggi sono causati dal fatto che gli strati atomici del cristallo sulla superficie sono incompleti. Nel punto in cui finisce uno strato, viene creato un passaggio al livello successivo. Tali passaggi esistono anche sulle superfici delle piccole particelle di cobalto del catalizzatore industriale, e la sua attività potrebbe essere prevista quantitativamente con i dati del catalizzatore modello. "Questa è la prima prova diretta che questi passaggi atomici sono i centri attivi del catalizzatore, " afferma Wintterlin. Gli scienziati sperano che questi risultati possano contribuire allo sviluppo di catalizzatori più efficaci.