Platina maakt nitriet onschadelijk
Voor het eerst is een katalysator gevonden die bij kamertemperatuur
nitriet afbreekt tot zuiver stikstofgas. Promovendus Matteo Duca van
het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek ontdekte dit effect op een
speciaal soort oppervlak van platina. Nanodeeltjes platina kunnen
misschien massaproductie mogelijk maken.
Afbraak nitriet en nitraat
Nitriet (NO ^-) is een bekende afvalstof in mest en rioolwater.
Dieren (en mensen) produceren in hun lichaam nitriet uit nitraat
(NO ^-) en scheiden het uit via de urine. In de natuur breken
bacterieën nitriet en nitraat af tot stikstof (N ), het
onschadelijke gas waar lucht voor 80% uit bestaat. Dit is een
gecompliceerd proces, waar een aaneenschakeling van enzymen aan te pas
komt. Rioolwaterzuiveringsinstallaties gebruiken bassins met
bacterieën om nitraat en nitriet af te breken.
Platina werkt als katalysator
Toch is men ook nog op zoek naar een niet-biologische katalysator die
efficient en zonder schadelijke bijproducten nitriet afbreekt. Matteo
Duca, promovendus in de groep van Marc Koper, hoogleraar Katalyse en
Oppervlaktechemie, ontdekte dat een speciaal soort platina deze taak
aankan. Hij publiceerde deze methode in het gezaghebbende vakblad
Journal of the American Chemical Society. Platina is zeker geen
onbekende: het zit onder meer in de driewegkatalysator in de uitlaat
van auto's, waar het stikstofoxide (NO), een molecuul vergelijkbaar met
nitriet, afbreekt tot stikstof. Maar dat werkt alleen bij honderden
graden celsius. Platina werkt als katalysator, omdat het gretig
gasmoleculen op zijn oppervlak adsorbeert. Samengepakt op dat
oppervlak, gaan gasmoleculen sneller reacties aan dan in de
gasfase. Â
Beheersen van het elektrisch spanningverschil
Om in water opgelost nitriet af te breken, is een elektrisch
spanningverschil (potentiaalverschil) nodig tussen vloeistof en een
platina elektrode. Dat kost wat energie, maar is ook een voordeel.
Duca: 'Door het potentiaalverschil te beheersen, zorg je er juist voor
dat nitriet alleen wordt omgezet in stikstofgas. Andere processen
kunnen ook nitriet afbreken, maar daarbij komt tevens ammonia (NH )
vrij, en de limiet voor ammonia in oppervlaktewater is nog lager dan
die voor nitriet.'
Platina nanodeeltjes goedkoper en efficienter
De katalyse werkt alleen op een zogeheten (100)- oppervlak van
monokristallijn platina. Platina-atomen zitten in metaal in een
kristalrooster, een stapeling van identieke eenheidsblokjes. In
verschillende zijvlakken van het eenheidsblokje liggen de
platina-atomen verschillend ten opzichte van elkaar gerangschikt. In
een monokristal â een perfect kristal waarin alle blokjes dezelfde
oriëntatie hebben â zal daarom elk buitenoppervlak als geheel een
verschillende rangschikking van atomen vertonen. Dit kan een ingrijpend
effect hebben op de adsorptie en dus de chemische reacties op het
oppervlak. De richting van een vlak door een driedimensionaal kristal
laat zich vastleggen met drie cijfers, in dit geval dus (100). In zoân
(100)-oppervlak zitten de platina-atomen gerangschikt als velden op een
schaakbord, dwz met een vierkantssymmetrie. Duca: 'Dit soort platina
elektrodes zijn te duur voor massa-productie, maar we hebben een
geschikt reactiekanaal gevonden. We denken nu aan het maken van
kubusvormige platina nanodeeltjes. Die kubusjes zijn aan alle kanten
gelijk aan de âschaakbord elektrodeâ die we nu gebruiken, maar door hun
kleine afmetingen maken ze veel efficienter gebruik van het dure
platina en zijn ze dus veel goedkoper.'Â
Universiteit Leiden