Elektronenmicroscoop maakt gedrag van katalysator zichtbaar

Kennis van individuele posities van atomen is van groot belang voor vele vraagstukken in de chemie, fysica en biologie. Een voorbeeld hiervan is de katalyse van chemische reacties in de poriën van dragermaterialen.

Katalytische reacties zijn essentieel in de chemische industrie. In de petrochemie bijvoorbeeld zetten katalysatoren aardoliecomponenten om in gewenste produkten. Ook plastics worden langs katalytische weg gemaakt. Aan het oppervlak van een katalysator reageren moleculen op een heel specifieke manier. De feitelijke katalytische activiteit komt van metaalatomen (veel gebruikt zijn platinum en palladium). De onderlinge ligging van deze atomen hangt nauw samen met de effectiviteit van de katalysator om steeds dat ene gewenste molecuul te maken. Het is dus van groot belang om hun posities te kunnen 'zien'. De absolute kampioen in het visualiseren van atomen is Scanning Tunneling Microscopie (STM). Deze techniek is echter naar haar aard strikt beperkt tot open en relatief gladde oppervlakken. Veel belangrijke processen, waaronder ook katalyse, spelen zich nu juist af op plekken die voor STM niet toegankelijk zijn.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten zijn er nu in geslaagd individuele atomen in een katalysator af te beelden. Zij gebruikten daarvoor Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). 'Gewone' Transmissie Elektronen Microscopie (TEM) werkt volgens hetzelfde principe als de lichtmicroscopie. Alleen wordt de afbeelding nu door elektronen gemaakt in plaats van door lichtgolven. Met moderne Hoge Resolutie TEM (HRTEM) kunnen elektronen tot zo'n kleine spot gefocusseerd worden dat in principe individuele atomen waargenomen kunnen worden. Een probleem is echter dat maar weinig elektronen bijdragen aan de beeldvorming. Velen verliezen wat snelheid in het materiaal, veranderen willekeurig van richting en dragen slechts bij aan de ruis in het beeld. In STEM worden op een slimme manier alle elektronen gebruikt om het beeld te vormen. Men kan dan echter geen gewone afbeeldingstechnieken gebruiken omdat niet meer duidelijk is waar die elektronen vandaan komen. De truc is nu om met behulp van de beste HRTEM-technieken een heel fijn brandpunt van elektronen te maken. Hiermee wordt vervolgens het monster 'gescand'. Voor dat laatste kan weer STM-technologie gebruikt worden. Nu katalysatoren met zulk detail bestudeerd kunnen worden is het voor het eerst mogelijk waarnemingen van het chemisch gedrag en modelberekeningen te koppelen aan de werkelijk waargenomen structuur.

    • Menno van Dijk