Stichting FOM 15 juni 2011, 2011/22

Warmte haalt scherpe randjes van katalysatorwerking

Aan het oppervlak van een katalysator kunnen chemische reacties makkelijk verlopen, die anders niet of nauwelijks plaats zouden vinden. Chemici weten dat vooral scherpe randen van een katalysator ideale reactieplaatsen zijn, maar soms zijn vlakke 'terrassen' ook geschikt - waarom, dat was nog onduidelijk. Dr. Irene Groot en haar collega's hebben achterhaald dat de temperatuur een doorslaggevende rol speelt. Het onderzoek vormt een fundamenteel inzicht, dat toepasbaar is bij de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren. De onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein, de Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam presenteerden hun resultaten in het toonaangevende vakblad Angewandte Chemie. Figuur 1. Overzichtsfoto van de opstelling met ultrahoog vacuüm vergroten Figuur 1. Overzichtsfoto van de opstelling met ultrahoog vacuüm
Figuur 2. Kristalhouder met de onderzochte katalysator vergroten Figuur 2. Kristalhouder met de onderzochte katalysator Figuur 3. Dr. Irene Groot
vergroten Figuur 3. Dr. Irene Groot
Katalysatoren zijn van essentieel belang in de chemische industrie. Daarom wordt er veel onderzoek gedaan naar hun werking. Maar over de ideale vorm van een stuk katalysator was tot nu toe geen consensus: volgens het ene onderzoek hebben reagerende stoffen een sterke voorkeur voor scherpe randen, andere experimenten laten zien dat ook vlakke terrassen op een katalysator een reactie helpen verlopen. In hun artikel helderen Groot en haar collega's het raadsel van de reactieplaatsen op.

De temperatuur blijkt een grote invloed te hebben: "Aan de randen van een katalysatordeeltje is iets meer chemische activiteit beschikbaar om een chemische reactie voor langzaam bewegende moleculen te laten verlopen", legt prof.dr. Aart Kleyn uit. "Op de vlakke terrassen vinden dan nauwelijks reacties plaats." Bij hogere temperaturen krijgen ook de deeltjes die op een terras neerkomen genoeg snelheid om een chemische reactie aan te gaan.

Als 'test case' gebruiken de onderzoekers de reactie van waterstof aan platina. Dit metaal wordt onder andere gebruikt als de katalysator in brandstofcellen, maar is schaars en erg duur. Dit is één van de redenen waarom brandstofcelauto's nu vrijwel onbetaalbaar zijn. Het ontwikkelen van nieuwe katalysatoren is een lang en ingewikkeld proces, waarin zowel 'trial and error' als verdiept mechanistisch inzicht een rol spelen. Dit artikel draagt bij langs de laatste weg.

Contact
Dr. Ludo Juurlink (Faculty of Science, Leiden Institute of Chemistry, Catalysis and Surface Chemistry), (071) 527 42 21.

Referentie
'The Energy Dependence of the Ratio of Step and Terrace Reactivity for H Dissociation on Stepped Platinum' dr. Irene M.N. Groot, prof.dr. Aart W. Kleyn, dr. Ludo B.F. Juurlink.