Badanie powierzchni katalizatorów za pomocą UHV FTIR

Niemieccy naukowcy opracowali technikę analityczną opartą na promieniowaniu podczerwonym FTIR pozwalającą na obserwację zjawisk zachodzących na powierzchni katalizatorów tlenkowych.

Heterogeniczna kataliza jest kluczowym elementem przemysłu chemicznego pozwala na efektywną syntezę podstawowych chemikaliów. W porównaniu do katalizatorów homogenicznych łatwiejsza jest ich regeneracja, natomiast zastosowanie jednego z obu rodzajów katalizatorów zależy od rodzaju reakcji chemicznej, stosowanych reaktorów itp.

Opracowanie nowych katalizatorów heterogenicznych wymaga użycia technik analitycznych obrazujących ich skład. Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) i Ruhr-Universität Bochum (RUB) w Niemczech skonstruowali hybrydowe urządzenie IR pozwalające na wykrywanie wibracji tlenku węgla (I) na powierzchni katalizatorów, które są związane z obecnością defektów powierzchni.

Najbardziej znaczącą cechą katalizatorów heterogenicznych jest występowanie na ich powierzchni miejsc aktywnych katalitycznie. Dla większości metali poznano ich katalityczne właściwości nawet przy skomplikowanych procesach chemicznych. W przypadku tlenków metali wygląda to już gorzej, a dla niemetali nadal jest jeszcze długa droga do wyjaśnienia szczegółów działania katalizatorów.

Niemieccy naukowcy zbadali monokryształy oraz proszki tlenków metali. Zaobserwowali oni pojedyncze przypadki utraty tlenu przez tlenek metalu, co prowadzi do powstania pożądanych w katalizie defektów materiału, ponieważ w ten sposób tworzą się centra aktywne. W dodatku udało się skalibrować system IR i za pomocą spektroskopii IR z transformacją Fouriera w ultraniskiej próżni (UHV) po raz pierwszy zmierzyć „gęstość defektów" katalizatora – rutylu, w postaci proszku oraz w postaci monokryształu. Rutyl – jeden z minerałów tlenku tytanu – jest zwykle odporny chemicznie i staje się katalizatorem tylko poprzez występowanie defektów tlenowych.

Potencjał UHV FTIR zaprezentowano na przykładzie badań tworzenia wiązań węgiel-węgiel w reakcji formaldehydu z etylenem, gdzie udało się zobrazować gęstość defektów tlenu na powierzchni rutylu. W kolejnych badaniach naukowcy zamierzają zanalizować inne tlenki takie jak tlenek cynku oraz ceru.

 Autor ilustracji: Dr. Mingchun Xu

Więcej w artykule The Surface Science Approach for Understanding Reactions on Oxide Powders: The Importance of IR Spectroscopy, który ukazał się w czasopiśmie Angewandte Chemie.

(pj)