催化劑對許多技術都是不可或缺的，為了進一步提高多相催化劑的效能，需要對其活性中心所在表面的複雜過程進行分析。卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究團隊，現在已經取得了決定性的進展，使用帶有所謂混合函式的計算方法來可靠地解釋實驗資料，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。許多重要的技術，例如能源轉換、減排或生產化學品的過程，都只使用合適的催化劑。
因此，高效的多相催化材料正變得越來越重要。例如，在多相催化中，起催化劑作用的物質和反應物質以固體或氣體形式存在於不同的相中。透過各種方法可以可靠地測定材料成分。然而，在催化劑表面發生的過程，幾乎不能用任何分析方法來檢測。卡爾斯魯厄理工學院功能介面研究所（IFG）負責人克里斯托夫·沃爾教授說：但是，催化劑最外層這些高度複雜的化學過程才是決定性的，因為在那裡，活性中心位於催化反應發生的地方。
粉末催化劑表面的精確檢測其中最重要的多相催化劑是氧化鈰，即稀土金屬鈰與氧的化合物。它們以粉末形式存在，由可控結構的奈米顆粒組成。奈米顆粒的形狀對催化劑反應活性有很大影響。為了研究這種粉末催化劑表面的過程，研究人員使用與奈米顆粒結合的探針分子，如一氧化碳分子。然後用紅外反射吸收光譜（IRRAS）測量這些探針，紅外線輻射會導致分子振動。從探針分子的振動頻率，可以獲得催化位置的型別和組成的詳細資訊。然而，到目前為止，對紅外反射吸收光譜實驗資料的解釋一直非常困難，因為與技術相關的粉末催化劑有許多振動帶，這些振動帶的準確分配具有挑戰性。理論計算無濟於事，因為與實驗的偏差如此之大，在模型系統中也是如此，以至於實驗觀察到的振動帶不能被精確分配。卡爾斯魯厄理工學院的功能介面研究所（IFG）和催化研究與技術研究所（IKFT）的研究人員與來自西班牙和阿根廷研人員合作。
由馬德里高階調查委員會(CSIC)的M.Verónica Ganduglia-Pirovano博士協調，現在已經確定並解決了一個主要的理論分析問題。系統的理論研究和使用模型系統對結果的驗證表明：到目前為止使用的理論方法存在一些根本性缺陷。通常，在使用密度泛函理論（DFT）的計算中可以觀察到這樣的弱點。密度泛函理論是一種基於電子密度來確定多電子系統的量子力學基態的方法。
研究發現，所謂的混合泛函可以克服這些弱點，混合泛函將密度泛函理論與量子化學中的一種近似方法Hartree-Fock方法結合起來。這使得計算非常複雜，但也非常精確，這些新方法所需的計算時間比傳統方法長100倍。但與實驗系統的良好一致性，足以彌補這一缺陷。使用奈米氧化鈰催化劑，研究人員展示了這一進展，這可能有助於使多相催化劑更有效和更耐用。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.256101