Betere katalysatoren ontwerpen met eenvoudige chemische concepten
Een internationaal team van onderzoekers, waaronder chemicus Federico Calle-Vallejo van de Universiteit Leiden, heeft het atoom-schaal-ontwerp van katalysatoren naar een volgend niveau gebracht. Hun onderzoek draagt bij aan de zoektocht naar een methode om energie op een meer efficiënte manier te genereren of op te slaan. Publicatie in Science op 8 oktober 2015.
Katalytische nanodeeltjes hebben verschillende locaties: bijvoorbeeld locatie C (centrum van een hexagonaal facet; negen burgen zijn geel gemarkeerd), E (rib tussen twee hexagonale facetten; zeven buren groen gemarkeerd) en K (kink, op de hoek tussen drie facetten; zes buren paars gemarkeerd). De atomen op de hoeken en terrassen zijn respectievelijk licht- en donkerblauw. Elke locatie draagt op een andere manier bij aan het totaal van katalytische activiteit door de invloed van het getal van zijn buren.
Waarom is katalyse belangrijk?
Katalyse is essentieel voor een moderne samenleving. Met een katalysator kun je de energie-input of -output van chemische reacties optimaliseren en kunnen waardevolle nieuwe producten gecreëerd worden. Dit simpele idee heeft mensen geïnspireerd om de wereld te transformeren.
De Europese chemische industrie bijvoorbeeld, die grotendeels gebaseerd is op katalystische processen, genereert een jaarlijks handelsoverschot van € 50 miljard (1). Bovenop de grote economische voordelen komt nog het voordeel van de vermindering van milieuschade: katalyse-apparaten zoals uitlaatgas-converters dragen bij aan het reduceren van milieuschade veroorzaakt door interneverbrandingsmotoren. Bovendien is de verwachting dat brandstofcellen auto’s krachtiger kunnen maken door simpelweg waterstof en zuurstof te combineren. Deze cellen zijn een schoon alternatief; ze kunnen de uitstoot van broeikasgassen verminderen en een einde maken aan de wereldwijde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.
Waar staan we en waar gaan we naar toe?
Het principe van katalyse staat op dit moment voor enorme uitdagingen. Talloze industriële katalytische processen zijn nog niet optimaal, en er zijn nieuwe, hoogactieve en stabiele katalysatoren nodig voor toepassing in onder andere brandstofcellen om deze commercieel rendabel te maken.
De vraag is dus: hoe ontwikkelen we nieuwe katalysatoren? Katalysatoren zijn doorgaans opgebouwd uit kleine deeltjes, met diameters uitgedrukt in nanometers of microns. Omdat de activiteit van de deeltjes afhangt van hun grootte, vorm en chemische samenstelling (zie figuur), wordt veelal gebruik gemaakt van computationele chemische methodologieën om ‘atoom-voor-atoom’-ontwerpen te maken. Idealiter worden met deze ontwerproutines de meest actieve katalysatoren gevonden en worden de karakteristieken van de optimale locaties aangegeven, zodat nieuwe, betere materialen gecreëerd kunnen worden. De bestaande procedures echter zijn slechts in staat de adsorptie-energetica van optimale katalysatoren te bepalen, en niet hun structuur. Dat maakt het noodzakelijk grote databases te screenen om materialen te vinden die over deze energetica beschikken, en vervolgens moeten er talloze experimenten op de meest actieve kandidaten worden uitgevoerd.
Hoe gaan we verder?
Onderzoekers van de Universiteit Leiden (Nederland), de Université de Lyon, ENS Lyon, UCB Lyon1, CNRS (Frankrijk), Ruhr-Universität Bochum en Technische Universität München (Duitsland) hebben het atoom-schaal-ontwerp van katalysatoren naar een volgend niveau gebracht (2). Hun ontwerpprocedure, “coordination-activity plot” genoemd, bepaalt niet alleen de adsorptie-eigenschappen van optimaal actieve locaties, maar geeft ook hun structuur aan. Een bijkomend voordeel van deze methode is dat deze gebaseerd is op een van de eenvoudigste concepten in de chemie: coördinatiegetallen. Coördinatiegetallen geven het aantal atomen in de nabijheid van de actieve locaties aan (zie voorbeelden in de figuur).
Om de nauwkeurigheid van de coördinatie-activiteit-plots te testen, ontwierpen de onderzoekers computationeel een nieuw type platinum-katalysatoren voor gebruik in brandstofcellen. De modelkatalysatoren werden experimenteel voorbereid door middel van drie verschillende synthesemethoden, die in alle gevallen een hoge katalytische activiteit lieten zien.
Met deze resultaten begint een nieuw paradigma in het katalyse-onderzoek: het ontwerp van materialen gebaseerd op geometrische rationalen; deze geven meer inzicht dan hun energetische equivalenten en ze faciliteren de experimentele implementatie van computationele ontwerpen.
Zie ook
Chlorine Industry Review 2012-2013. Euro Chlor, Belgium, 2013
Artikel in Science: Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors.
Federico Calle-Vallejo, Jakub Tymoczko, Viktor Colic, Quang Huy Vu, Marcus D. Pohl, Karina Morgenstern, David Loffreda, Philippe Sautet, Wolfgang Schuhmann, Aliaksandr S. Bandarenka.