Le superfici metalliche svolgono un ruolo come catalizzatori per molte importanti applicazioni, dalle celle a combustibile alla purificazione dei gas di scarico delle auto. Però, il loro comportamento è decisamente influenzato dagli atomi di ossigeno inglobati nella superficie.

Questo fenomeno è noto da tempo, ma fino ad ora non è stato possibile indagare punto per punto con precisione il ruolo dell'ossigeno in superfici complesse per comprenderne il background chimico a livello atomico. Questo è stato ora raggiunto alla TU Wien in collaborazione con un team dell'Elettra Synchrotron di Trieste. È stato possibile spiegare perché in studi precedenti si fossero ottenuti risultati in parte contraddittori:gli atomi di ossigeno non sono distribuiti uniformemente, ma si sistemano particolarmente facilmente in luoghi molto specifici.

Misure di precisione invece di valori medi

"Esaminare una superficie metallica direttamente durante la catalisi è una grande sfida, " afferma il prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di chimica dei materiali presso TU Wien. "Puoi, Certo, metti l'intero catalizzatore in un reattore e misura esattamente quali prodotti chimici vengono prodotti, ma ottieni solo un valore medio. Non puoi sapere quali siti sul catalizzatore hanno contribuito alla reazione chimica e in che modo".

Un'altra possibilità è quella di non utilizzare un vero catalizzatore, ma un semplice, molto pulito, pezzo idealizzato di esso, come un minuscolo cristallo singolo, con proprietà note, che potrai poi studiare al microscopio. In questo caso, tu diventi preciso, risultati riproducibili, ma non hanno molto a che fare con le applicazioni pratiche.

Il gruppo di ricerca guidato da Günther Rupprechter e Yuri Suchorski ha quindi combinato i vantaggi di entrambi gli approcci. Usano sottili lamine di rodio, che sono costituiti da piccoli grani. Su ogni chicco, gli atomi di superficie possono essere disposti in modo diverso. In un grano, formano un liscio, superficie regolare con gli atomi esterni tutti esattamente nello stesso piano; Vicino a esso, gli atomi possono organizzarsi per formare una struttura più complicata costituita da molti passaggi atomici.

I luoghi preferiti degli atomi di ossigeno

Sono proprio questi passaggi che si rivelano cruciali. "Per l'attività catalitica, lo stato di ossidazione del catalizzatore gioca un ruolo centrale, ad es. se l'ossigeno si attacca agli atomi di metallo o no, "dice Philipp Winkler, il primo autore del saggio. "Negli esperimenti precedenti, abbiamo scoperto che spesso avevamo a che fare con un certo stato tra "ossidato" e "non ossidato", una situazione difficile da interpretare".

Però, questo può essere compreso quando ci si rende conto che non tutti i grani della lamina di rodio sono ossidati allo stesso grado. L'ossidazione inizia preferibilmente agli angoli, bordi e gradini:lì è particolarmente facile per gli atomi di ossigeno legarsi alla superficie. Perciò, diversi grani con diverse strutture superficiali vengono ossidati a gradi diversi.

Microscopio elettronico e sincrotrone a Trieste

Questo potrebbe essere studiato utilizzando una combinazione di tecnologie altamente sviluppate:"In uno speciale microscopio elettronico, il campione viene irradiato con luce UV durante la reazione catalitica e l'emissione di elettroni risultante viene registrata con risoluzione spaziale micrometrica, " spiega Yuri Suchorski, “questo ci permette di determinare esattamente quali grani della lamina di rodio sono particolarmente cataliticamente attivi. Lo stesso campione viene poi esaminato nuovamente con un microscopio completamente diverso:granello per granello con raggi X al sincrotrone, ottenere informazioni molto precise sull'ossidazione superficiale del campione."

Se combini entrambi i risultati, è possibile determinare esattamente quale comportamento chimico è caratteristico di particolari strutture. Il vantaggio principale:è possibile esaminare l'intera lamina di rodio contenente centinaia di grani diversi in un singolo esperimento. Invece di studiare separatamente i minuscoli cristalli singoli, un campione contenente molte strutture diverse utilizzate per la catalisi viene studiato in condizioni reali, e si ottengono immediatamente informazioni sulle proprietà di queste strutture.

"Questo è un passo importante nella ricerca sulla catalisi, " dice Rupprechter. "Ora non dobbiamo più accontentarci di misurare solo un valore medio che descrive in modo inadeguato l'intero campione, ma possiamo davvero capire in dettaglio quali strutture atomiche esibiscono quali effetti. Ciò consentirà anche di migliorare in modo specifico importanti catalizzatori necessari per molte applicazioni nelle tecnologie energetiche e ambientali".