没有催化剂的能量转换：就其本身而言，为了使用电力制造氢气，将氢转化为燃料电池中的电能或将二氧化碳转化为燃料所需的化学过程发生得太慢而不实用使用。催化剂加速反应而不会自行消耗。

“催化剂对于该行业具有极其重要的意义。因此，业界对进一步改进材料以提高工艺效率非常感兴趣，”TUM能源转换和储存物理学教授AliaksandrBandarenka解释道。。

与他的团队合作，化学家现在提供了这样做的关键先决条件：第一次，扫描隧道显微镜成功地用于在催化过程中检查表面。以这种方式，可以详细确定反应速度和催化剂活性最高的位置。该研究结果发表在Nature杂志上。

在寻找活跃的中心

长期以来，研究人员一直怀疑表面结构与非均相催化剂活性之间存在关联，其中化学反应发生在固体和液体或气体之间的界面上。非均相催化剂例如用于氢气的电解生产或用于清洁车辆废气。

“然而，化学反应不会在所有位置以相同的速度发生。相反，催化剂表面有活跃的中心，”Bandarenka报道。“以前，我们不得不依靠模型计算和间接测量来定位这些中心。”

通过新的分析程序，现在可以通过实验证明活动中心的存在。用催化剂材料(包括铂和金和钯的组合)的样品用液体电解质层覆盖并使用扫描隧道显微镜检查。

当氢离子(即质子)从电极接收电子，在催化剂表面并形成氢气时，显微镜的尖端以几埃的距离扫描催化剂的表面。点对点，现在测量在表面和尖端之间流动的“隧道电流”。连接到设备的计算机会注册信号。

一个“吵闹”的谜团

“有趣的是，隧道电流在各处并不相同。有些区域的电流更强，但流动不均匀-这是'嘈杂'，”Bandarenka报道。这种噪音的存在已经有很长一段时间了，但到目前为止，还没有人研究过它的原因。

在评估数据期间，TUM团队发现了噪声强度与催化剂表面缺陷之间的明显关系-显微镜小的台阶，边缘或角落。“随着缺陷数量的增加，噪声也随之增加-更多的电子流动，因此更多的电流，”Bandarenka解释说。

快餐原则

研究人员喜欢在快餐店比较离子的行为与客人的行为：当座位不舒服时，他们立即离开而不消耗任何东西。另一方面，如果座椅非常舒适，它们会长时间保持坐姿，阻挡新客人的座位。只有在座位既不舒适也不太舒服的情况下，顾客才能来，吃，再离开。

从电解过程中的化学过程来看，这意味着：如果催化剂表面对氢离子具有太大的化学吸引力或排斥性，则反应会破坏。最有效的区域是吸引离子的地方，但不会长时间停留。

较少的邻居可以做出更好的反应

原子晶格中的小缺陷，以及材料之间的边界-例如金上的钯-似乎创造了催化的理想条件。但为什么?“我们的实验表明，相邻原子的数量以及由此产生的键强度是活动的关键因素，”该出版物的共同作者之一OliverSchneider解释道。

TUM研究人员现在打算利用这些发现开发出更有效的催化材料，其活性区域尽可能大。