Chemici lossen hardnekkig probleem op na vier decennia
Leidse en Eindhovense scheikundigen hebben na decennia de discussie beëindigd over het juiste model voor de eenvoudigste chemische reactie in heterogene katalyse, die essentieel is voor brandstofcellen. Met behulp van een uniek gekromd platinaoppervlak toonden de Leidse Ludo Juurlink, zijn promovendus Richard van Lent en Michael Gleeson van DIFFER aan welk model de reactie met waterstof correct beschrijft. Ze publiceerden hun bevindingen op 11 januari in het blad Science.
Eindeloze discussie
Al bijna vier decennia woedde er in de scheikundige literatuur een heftige discussie: welke van de twee bestaande modellen voor de reactie van waterstof aan een platinakatalysator is juist (zie kader)? Met behulp van traditionele methoden bleek dit niet aan te tonen. Leids chemicus Ludo Juurlink besloot met Michael Gleeson van het Nederlands instituut voor funderend energieonderzoek DIFFER een nieuwe methode te ontwikkelen om sluitend bewijs te leveren, en met succes.
Een trap die steeds smaller wordt
De twee bestaande modellen voor heterogene katalyse geven verschillende voorspellingen over hoe de reactie van waterstof afhangt van de structuur van het platinaoppervlak. Door middel van metingen konden de onderzoekers de reactiviteit van waterstof bepalen en daarmee bewijzen welk model correct is. Hiervoor was het gekromd platinakristal cruciaal, een primeur van een Nederlands bedrijf in Zaandam. ‘Doordat het platinaoppervlak gekromd is, verloopt de atomaire structuur heel geleidelijk langs het oppervlak’, legt Juurlink uit. ‘Je kunt die structuur vergelijken met een trap, waarvan de treden naar de randen toe steeds smaller worden. In het midden lijkt het meer op een balzaal.’ Het bleek dat de reactiviteit van waterstof lineair afhankelijk was van hoe dicht de traptreden op elkaar zitten. Hoe verder de traptreden uit elkaar zaten, hoe minder reactief waterstof was. ‘En daarmee viel het model dat een niet-lineair gedrag voorspelde af’, zegt hij.
Unieke mogelijkheid
Het onderzoek werd verricht in ultrahoog vacuüm en levert belangrijke inzichten op. ‘We weten nu beter hoe we de snelheid van chemische reacties moeten berekenen – één van beide modellen draagt namelijk niet significant bij’, zegt Juurlink. ‘Daarnaast weten we nu dat die gekromde kristaloppervlakken een unieke, nieuwe mogelijkheid bieden om te leren hoe chemische reacties aan oppervlakken daadwerkelijk gebeuren. Daar gaan we zeker meer onderzoek mee doen.’
Waarom werkt een katalysator?
Bijna alle grote chemische industriële processen maken gebruik van heterogene katalyse. Katalysatoren zijn soms duur en zeldzaam, zoals platina: een veelgebruikte katalysator die in brandstofcellen en uitlaatsystemen van auto’s zit. ‘Het aparte is dat we meestal niet eens echt weten hoe en waarom dergelijke katalysatoren chemische reacties versnellen’, zegt Juurlink. Beter inzicht in dit hoe en waarom zal bijdragen aan het verduurzamen van de chemische industrie. ‘Op basis van beter begrip van wat er op atomair niveau gebeurt, kunnen we nieuwe katalysatoren ontwikkelen’, aldus Juurlink. ‘Katalysatoren die voor minder energieverlies zorgen en minder afhankelijk zijn van dure en zeldzame materialen.’
Publicatie
Site-specific reactivity of molecules with surface defects—the case of H2 dissociation on Pt
Richard van Lent, Sabine V. Auras, Kun Cao, Anton J. Walsh, Michael A. Gleeson, Ludo B. F. Juurlink
Science, 11 Jan 2019: Vol. 363, Issue 6423, pp. 155-157 DOI: 10.1126/science.aau6716
Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Bij heterogene katalyse is de katalysator meestal een vaste stof en de reactanten een gas of vloeistof. Juurlink legt het verschil tussen de twee modellen uit: ‘De twee modellen zijn gebaseerd op verschillende aannamen over hoe kinetische energie van het waterstofmolecuul “weglekt” tijdens de botsing met het platinaoppervlak.’ Ter verduidelijking geeft hij een voorbeeld: ‘Als een hond in een wak zit, kan hij daar op twee manieren terecht zijn gekomen. Of hij is vanaf de kant over het ijs gegleden en in het wak gevallen, of hij is vanaf de kant direct in het wak gesprongen.’ Hun onderzoek laat nu zien dat waterstofmoleculen voornamelijk direct vanuit de gasfase aan de traptredenranden van platina reageren (Model 2). Model 1, dat ervanuit gaat dat de meest moleculen over het vlakke platinaoppervlak ‘schaatsend’ bij de randen terecht komen en dan pas reageren is daarom niet correct.
De onderzoekers zagen verschillen tussen de twee verschillende soort randen (rood en blauw) die van nature voorkomen op platinakatalysatoren. Aan zo’n rand kan waterstof aan de bovenzijde of onderzijde landen. Voor beide typen stapranden kunnen de wetenschappers zelf bepalen welk deel direct aan de bovenzijde reageert (zoals bij blauw geïllustreerd) of eerst aan de onderzijde landt (zoals bij rood).