Grundämnet cerium har intressanta egenskaper. Det är t ex sällsynt bra på att ta upp, lagra och frigöra syre. Detta kommer till användning i katalysatorer, bränsleceller och annan teknik inom miljöområdet.

En förklaring till varför det är så har just publicerats i Physical Review Letters och presenterades under torsdagen också på webbsajten Physics News Update.

Kraven på ren luft sporrar forskning och industri att utveckla nya tekniker för att begränsa oönskade utsläpp till miljön. Katalytisk avgasrening är ett krav för vanliga bilar. Inte bara i bilar som görs ute på Hisingen och i Trollhättan finns det anordningar för att lagra syre, som kan tas fram för att göra den kemiska reaktionen stökiometrisk. Ofta används ceriumoxid, som är bra på att ta upp, lagra och frigöra syre. Ceriumoxid, Ce₂O₃, kan ta upp syre under syrerika förhållanden och bilda ceria (CeO₂).

Genom en serie reduktionssteg kan cerium sedan göra sig av med syre, med oxiden Ce₂O₃ som slutprodukt - som i sin tur oxideras tillbaka till ceria, CeO₂ och så vidare.

Den grundläggande mekanismen för detta omvandlingsfenomen har nu förklarats på atomär nivå. En kvantmekanisk förklaring har givits till hur vakanser i atomstrukturen och en omlokalisering av

elektroner mellan syre och cerium kan ge cerium dessa speciella egenskaper, allt som ett intressant och betydelsefullt resultat av grundläggande kvantmekanik: elektronlokalisering manifesterar sig i en makroskopisk process, som används i många miljövänliga tillämpningar. Denna insikt kan ge nya material. Redan i dag modifierar man t ex ceriumoxidens egenskaper genom tillsatser av andra oxider, något som kan optimeras ytterligare.

Denna forskning kan tjäna som ett exempel på hur ett SSF-stött materialkonsortium arbetar, i detta fall #9 (Materialia) följt av ATOMICS: (1) Styrelseledamot Edward Jobson, Volvo, förser teori-konsortiet med en praktisk relevant problemställning, syrelagring i ceria med platina som katalysa-tor för syredissociering; (2) Konsortieledare Bengt Lundqvist stimulerar först doktorand Alexander Bogicevic och doktor Johan Strömquist till att studera syres diffusion på Pt; (3) Det problemet löses med "state-of-the-art"-metoder ("First-principles diffusion barrier calculation for atomic oxygen on Pt(111)", A. Bogicevic, J. Strömquist, and B. I. Lundqvist, Phys. Rev. B , 57, R4289 (1998)); (4) Sedan gör han detsamma med post-doc Natalia Skorodumova och forskarassistent Sergei Simak för syre i ceria; (5) Det problemet löses med delvis nya metoder ("Quantum Origin of the Oxygen Storage Capability of Ceria", N.V. Skorodumova, S.I. Simak, B.I. Lundqvist, I.A. Abrikosov och B.Johansson, Physical Review Letters, vol. 89, 166601, (2002)) och med uppsalaerfarenheter av sällsynta jordartsmetaller. Denna artikel har uppmärksammats på Physics News Update, American Institute of Physics, adress http://www.aip.org/physnews/update/.

För vidare information, kontakta Bengt Lundqvist på telefon 031-772 3198 eller via e-post lundqvist@fy.chalmers.se.