Katalyysipinnat

Katalyysipinnat ovat katalyysissä käytettyjen kiinteiden aineiden pinnat, joilla adsorptio ja kemialliset reaktiot tapahtuvat. Pintarakenteen atomien järjestys, defectit sekä hiukkaskoko ja tukimateriaalin vuorovaikutus määrittävät aktiiviset kohdat ja siten reaktiokäyrät. Yleisimmät pinnat ovat metalliset (esim. Pt, Pd, Ni), oksidipinnat (TiO2, Al2O3, CeO2) sekä hiili- ja zeoliittipinnat.

Katalyysipinnan toiminta perustuu siihen, että reaktiot aloitetaan adsorptioilla, seuraa pintareaktioita ja lopuksi tuotteet desorboituvat. Reaktiomekanismeja ovat yleisesti Langmuir–Hinshelwood- sekä Eley–Rideal -tyyppiset mallit. Nopeus riippuu pinta-tilan kattavuudesta, lämpötilasta, paineesta sekä aktiivisten paikkojen määrästä. Pintasuunnittelulla voidaan vaikuttaa aktiivisuuteen, valikoivuuteen ja kestävyyteen; esimerkiksi pienhiukkasten hyödyntäminen, muotoilu ja strong metal–support interaction (SMSI) voivat parantaa suorituskykyä.

Pintojen tutkimukseen käytetään laajaa valikoimaa menetelmiä: XPS ja UPS antavat kemiallisen tilan ja elektronisen rakenteen tietoa, STM/AFM sekä TEM kuvat pinnan topografiasta, DRIFTS sekä TPD/TPR seuraavat adsorptioita ja reaktioita. Mikroskooppiset ja spektroskooppiset tiedot integroidaan usein mikroskoemittelyyn ja laskennallisiin malleihin reittejä ja energetiikkaa selkeyttämään.

Käyttökohteita ovat ympäristökatalyysi (CO- ja NOx -puhdistus), petro- ja kemianteollisuus (hydrodesulfurointi, reformointi) sekä energiateknologiat (elektrokatalyysi kuten HER ja OER, polttoaine- ja työkaasukäytöt). Katalyysipinnat ovat keskeisiä uusien, kestävämpien katalyyttien kehittämisessä ja niiden reaktiokäyrien hallinnassa.