Boeken

Monday, July 19, 2010

Katalysator trekt zuurstofjasje aan en uit

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van 17/18 juli 2010.

Een gloeiend heet palladiumpreparaat dat als actieve katalysator koolmonoxide aan het verbranden is.
Foto Richard van Rijn (ESRF en Universiteit Leiden)


Katalysatoren zijn de werkpaarden van de chemische industrie. Ze versnellen chemische reacties zonder daarbij zelf gebruikt te worden. Wat er tijdens de katalyse met de atomen aan het katalysatoroppervlak gebeurt, werd tot nu toe door de beperkingen van microscopische technieken vooral bij lage gasdrukken bestudeerd.

Onder leiding van hoogleraar Joost Frenken hebben onderzoekers van de Universiteit Leiden en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble ontdekt dat bij realistische, hogere gasdrukken een nieuw fenomeen opduikt: het katalysatoroppervlak wisselt razendsnel tussen twee gedaanten (Nature Chemistry, 11 juli 2010). In de ene gedaante is de katalysator bedekt door een oxidelaagje van precies één zuurstofatoom dik. In de andere is dit laagje afwezig, zoals bij lage drukken. Met het zuurstofjasje aan gaat de katalyse sneller dan met het jasje uit.

De onderzoekers bestudeerden de reactie van het giftige koolmonoxide tot het onschadelijke koolstofdioxide, met het metaal palladium als katalysator. Met een speciaal voor relatief hoge drukken ontwikkelde Scanning Tunneling Microscoop werd het oppervlak atoom voor atoom afgetast. Met een eveneens speciaal ontwikkeld reactievat werd met krachtige röntgenstraling een paar atoomlagen diep in het oppervlak als geheel gekeken.

De drijvende kracht achter het schakelfenomeen blijkt de ruwheid van het oppervlak. Wanneer het katalysatoroppervlak nog alleen uit metaalatomen bestaat, is het gunstig om zich te bedekken met zuurstofatomen. Maar zodra het oppervlak geheel is bedekt met het zuurstoflaagje, wordt het door de katalysereacties steeds ruwer. Op een gegeven moment is het oppervlak zo ruw dat het gunstiger is om het zuurstofjasje weer uit te trekken. Het aan- en uittrekken van het zuurstofjasje gaat zo veel sneller dan het ruwer of gladder worden van het oppervlak dat het abrupte overgangen lijken.

In de praktijk bestaan katalysatoren vaak uit bolletjes, terwijl de onderzoekers een plat stukje metaal als katalysator gebruikten. Toch hebben ze al de eerste aanwijzingen gevonden dat het snel schakelen tussen twee structuren ook bij bolletjes optreedt. Samen met drie chemiebedrijven zoeken de onderzoekers nu of ze de nieuwe kennis over het aan- en uittrekken van het zuurstofjasje kunnen gebruiken om katalysatoren efficiënter te maken.

Internet