维也纳理工大学
铑上振荡氢氧化的局部图案形成:使用扫描光电子显微镜(SPEM)在催化剂表面(左)创建物种的化学图谱
表面覆盖的光谱数据(XPS)能够开发相关表面活性状态的原子模型(右)
学分:维也纳理工大学 有时候实验室里的化学反应会按照你想象的方式进行，有时候不会
两者都不寻常
然而，非常不寻常的是，图维恩的一个研究小组在研究铑催化剂上的氢氧化时观察到的情况:铑箔的表面在某些表面区域具有很高的化学活性，而在仅几微米远的其他区域，它是完全无活性的，而在其他区域，在活性和无活性状态之间仍会发生振荡
这种行为以前被认为几乎是不可思议的
这些结果现已发表在科学杂志《自然通讯》上，表明催化比以前想象的要复杂
燃料电池的基本原理 “在金属铑等催化剂的帮助下，氢可以被氧化——这是燃料电池中的基本反应，只有水作为“废气”产生，”教授说
尤里·苏科尔斯基来自维也纳理工大学材料化学研究所
氢分子保留在铑表面，分裂成单个原子，然后与氧结合形成水
然而，可能会发生一层氧完全覆盖铑表面的情况，这样氢就根本无法到达铑原子
“在这种情况下，据说催化剂表面中毒了，”教授解释道
gun ther Ruprechter，研究项目负责人
“催化剂不再能发挥它的功能，反应停止了
" 催化剂是发挥作用还是中毒取决于外部参数，如反应物压力和温度
但是铑箔在实验中表现出一种奇怪的行为:尽管表面的所有区域都暴露在相同的外部条件下:一些区域可以是催化活性的，另一些区域中毒并完全失活，还有一些区域以不同的频率在活性和非活性状态之间来回切换
这项研究的第一作者菲利普·温克勒说:“这听起来太不寻常了，以至于直到现在我们甚至无法想象这种事情是可能的。”
图维也纳团队与意大利同事在的里雅斯特的埃莱特拉同步加速器进行了更深入的研究，能够解释这些观察结果:多晶铑表面由以不同角度排列的不同晶粒组成
这意味着表面原子的排列因颗粒而异
尤里·苏科尔斯基说:“化学反应的动力学对颗粒的方向以及表面的原子结构非常敏感。”
“就铑而言，单个结构的催化性能之间的差异比预期的要大得多，因此不同的晶粒在相同的时间和条件下表现完全不同是可能的
这里，振荡行为特别有趣
" 兔子和狐狸 类似的过程在非常不同的科学领域也是已知的——例如，从捕食者-猎物模型中:如果许多兔子出生，狐狸有足够的食物，那么第二年更多饥饿的狐狸出生，兔子的数量减少
就像兔子和狐狸一样，氢和氧的相互作用是一个处于动态平衡或可以在不同状态之间振荡的系统
即使兔子和狐狸的数量最初在任何地方都是相同的，但在不同的地方可能会发生完全不同的时间发展——例如，因为兔子在某些地方比在其他地方更能躲避狐狸
类似地，不同的化学动力学出现在铑表面的不同颗粒上
这些结果提供了一个对整个催化研究具有重大意义的重要见解:仅仅从全球范围描述一种催化剂是不够的；人们必须考虑到它的局部微观结构，并考虑到它在不同的位置表现出完全不同的行为
“我们确信，这种影响对许多不同的催化剂和反应都是显著的，”gun ther RUP rechter说，“无论如何，在这个研究领域仍有很多工作要做
"
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