Chemische Spiralwellen im Elektronenmikroskop

In der Forschungsgruppe von Günther Rupprechter am Institut für Materialchemie der TU Wien konnten spiralförmige chemische Wellen auf einer Katalysatoroberfläche beobachtet werden.

Bild: TU Wien
Forscher der TU Wien konnten elektronenmikroskopische Aufnahmen multifrequenter chemischer Spiralwellen machen.

Die Wissenschaftler untersuchten die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff (also jene chemische Umwandlung, die auch einer Brennstoffzelle zugrundeliegt) an einem Rhodium-Katalysator. Der Mechanismus der Reaktion bewirkt ein auffälliges Verhalten: Es kommt zu Oszillationen der  Konzentrationen der an der Reaktion teilnehmenden Moleküle, die sich wellenförmig über die Katalysatoroberfläche ausbreiten.

Die Oberfläche des eingesetzten Materials besitzt nun aber eine polykristalline Struktur. Je nachdem, welche Kristallfläche an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Sauerstoff-Atmosphäre ausgesetzt ist, verlaufen die Teilschritte der Gesamtreaktion unterschiedlich schnell. Trifft eine chemische Welle auf eine Korngrenze, ändert sich daher ihre Geschwindigkeit – es kommt zu Wellen mit komplizierten spiralförmigen Mustern, die das Team um Rupprechter und Erstautor Yuri Suchorski mithilfe eines Photoemissions-Elektronenmikroskops sichtbar machen konnten. Aus der Analyse dieser Muster können die Forscher wiederum schließen, welche Regionen der Oberfläche die besseren katalytischen Eigenschaften hat.

Die Arbeit, die unter dem Titel „Visualizing catalyst heterogeneity by a  multifrequential oscillating reaction” in Nature Communications erschienen ist, wurde  vom FWF im Rahmen des Spezialforschungsbereichs „FOXSI“ geförderten und in Kooperation mit der Chalmers Universität Göteborg (Schweden) durchgeführt.