Overflatekatalyse

Overflatekatalyse er en gren av katalyse der reaksjonene hovedsakelig foregår ved grenseflaten mellom et fast katalysatormateriale og reaksjonspartnerne, ofte i en heterogen fase. Reaktantene adsorberer på overflaten, gjennomgår kjemiske omsetninger ved aktive nettsteder, og desorberer som produkter. Denne mekanismen gjør at reaksjonen kan foregå ved lavere aktiveringsenergier enn i løsning eller ren gassfase, og gir mulighet for selektivitet gjennom valg av materiale og overflater strukturer.

To sentrale reaksjonsspor er Langmuir-Hinshelwood og Eley-Rideal. I Langmuir-Hinshelwood er begge reaktanter adsorbert på overflaten og reagerer der; i Eley-Rideal reagerer en adsorbert partikkel med en reaksjonspartner fra gassfasen. Aktiviteten styres av antall aktive nettsteder, deres elektroniske miljø og overflatedefekter som kornkanter og facet-orientering. Adsorpsjon kan være physisorpsjon eller chemisorpsjon, og valget av støtte og partikkelstørrelse påvirker bindinger og reaksjonsveier. Nanostrukturer og støttematerialer kan endre aktiviteten betydelig, og metaller som Pt, Pd og Ni sammen med oksider som TiO2 og Al2O3 er vanlige.

Materialene varierer fra metaller til metalloksider og kombinasjoner på støttematerialer med høy overflate. Dispersion og partikkelstørrelse påvirker tilgjengeligheten av aktive sitater, mens fasetter og defektinnhold kan endre selectivitet og motstand mot deaktivering. Nye tilnærminger inkluderer enkeltatomsatalytikere og avanserte nanostrukturer som gir unike aktivitetsprofiler.

Studier bruker operando-teknikker og metoder som TPD, IR-spektroskopi, XPS og STM for å kartlegge adsorpsjon og trinn i reaksjonen. Kinetiske mål som turnover frequency (TOF) og aktiveringsenergi gir innsikt i mekanismer og effektivitet.

Overflatekatalyse er sentral i raffinering og petrokjemisk produksjon, miljøteknologi som NOx-reduksjon og CO-oksidasjon, samt energirelaterte prosesser som elektro- og brenselceller. Utfordringer inkluderer deaktivering gjennom coke-akkumulering eller sintring, giftstoffer og kostnader, samt behov for stabilitet og gjenvinnbarhet.