三台显微镜可观察两台以上

人们必须非常仔细地观察才能了解催化剂表面上发生了什么过程。固体催化剂通常是由微小晶体制成的精细结构材料。有各种显微镜来监测这些表面上的化学过程 - 例如，它们使用紫外线，X射线或电子。但是，没有一种方法能单独提供完整的情况。

这就是为什么来自维也纳工业大学和柏林弗里茨哈伯研究所的研究团队开发了一种新颖的方法，可以使用三种不同的表面显微镜对催化反应进行“三只眼睛”。通过这种方式，他们能够证明，在氢和氧催化转化为水的过程中，晶体表面上的反应前沿不仅形成了显着的几何图案，而且还发现了这些前沿传播的新机制。

对于生态清洁的氢基能源生产等与气候相关的技术，全面了解这些过程至关重要。

在一台仪器中实现不同的测量

“许多科学问题只能通过在同一样品上结合不同的显微镜方法来回答，这被称为相关显微镜，”维也纳工业大学材料化学研究所的Günther Rupprechter教授说。“但是，这通常有局限性。

您必须从一台仪器中取出样品，然后在另一台显微镜中再次执行相同的实验。通常，由于方法学原因，实验条件完全不同 - 一些测量在真空中进行，另一些测量在空气中进行。通常温度是不同的。此外，您可能没有使用不同的仪器查看样品上的同一点 - 这也会影响结果。因此，很难以可靠的方式组合不同测量的结果。

紫外线、X射线和电子

然而，现在已经可以将三种不同的显微镜结合起来，在相同的环境条件下检查同一样品上的同一斑点。使用了三种不同的电子显微镜：光发射电子显微镜(PEEM)的两种不同变体，即紫外-PEEM和X-PEEM，以及低能电子显微镜(LEEM)。

在紫外-聚醚醚酮和X-PEEM中，样品表面分别用紫外光和X射线照射。在这两种情况下，它都导致电子从表面发射。与光束在光学显微镜中的聚焦方式类似，电子束形成表面和那里发生的过程的实时图像。

在X-PEEM中，可以根据发射电子的能量过滤发射的电子，从而确定样品表面的化学成分。柏林同步加速器(HZB BESSY II)为研究小组提供了必要的高能，高强度X射线。在LEEM技术中，表面用电子束照射。从表面反向散射的电子创建样品表面和正在进行的过程(例如催化反应)的实时图像。

由于所有三种显微镜都使用不同的成像机制，这使得在样品的结构相同的位点上研究催化氢氧化的不同方面，自1974年以来一直参与表面显微镜的Yuri Suchorski教授说。“此外，X-PEEM技术提供了化学对比度，因此使我们能够将表面上的图案形成与表面的化学成分和表面上存在的反应物相关联，因此称为相关显微镜。

观察氢如何氧化成水

因此，可以以多种方式实时研究铑箔结构明确定义的微观区域上的氢的氧化(由TU Wien的USTEM研究人员进行结构测定)。

反应像波浪一样扩散到表面上，揭示了一种以前从未遇到过的新型图案形成。“在扩散的反应前沿，形成新的催化活性区域的小岛，加速反应的传播，”Rupprechter教授说。在提供虚拟反应显微镜的计算机模拟中，该团队能够对这些岛屿的形成进行建模和解释。

通过相关方法，现在可以有效地利用每种显微镜方法的特定强度(空间和能量分辨率，视场，放大倍率低至纳米范围)，从而以前所未有的细节对正在进行的催化反应进行成像。

通过固体催化剂将氢氧化成水是能够在不燃烧和无污染的情况下产生能量的重要过程之一(废气由纯水组成)，例如在燃料电池中。对于新型绿色能源生产技术的未来发展，重要的是要用几只眼睛观察正在进行的催化反应，以便深入了解催化过程的精细细节。