Gevestigd idee in scheikunde blijkt toch niet zo algemeen

24 september 2020

Het is een algemene regel binnen de scheikunde: het coördinatiegetal van een katalysator bepaalt de reactiviteit van de chemische reactie die het versnelt. Opvallend genoeg hebben Leidse scheikundigen nu aangetoond dat dit niet opgaat voor de meeste eenvoudige chemische reactie die er bestaat: de dissociatie van waterstof. De onderzoekers slaagden erin de zogeheten absolute reactiviteit van deze reactie te meten, een unicum. Publicatie in Angewandte Chemie.

Geheim wapen

Katalysatoren zijn overal in ons dagelijks leven te vinden, zoals de platina-katalysator in de uitlaat van je auto. Toch begrijpen wetenschappers nog niet goed hoe ze precies werken. Hoogleraar Ludo Juurlink en zijn groep proberen hier verandering in te brengen en hebben daarvoor een geheim wapen: een gekromd platina-oppervlak ter grootte van een muntstuk. Afgelopen jaar leverde dit materiaal de groep twee publicaties op in toonaangevende bladen: in Science bewezen ze na ruim veertig jaar debat welk theoretisch model voor de reactie van waterstof aan platina juist is en in PNAS lieten ze zien hoe zuurstof reageert aan platina. In hun nieuwste publicatie gebruiken de scheikundigen het speciale stukje platina om een belangrijk concept op zijn grondvesten te doen schudden: coördinatie.

Inzoomen op een katalysator

Om dit uit te leggen, moeten we eerst inzoomen op het oppervlak van een katalysator, de plek waar de chemische reacties plaatsvinden. Dit oppervlak bestaat uit atomen – platina-atomen in dit onderzoek – die op een bepaalde manier geordend zijn. Elk atoom heeft een eigen coördinatiegetal, dat aangeeft door hoeveel atomen dit specieke atoom omring wordt. Laten we nu de reactie van waterstof aan platina als voorbeeld nemen. Tot voor kort was het idee als volgt: het coördinatienummer van de atomen op het oppervlak van platina bepaalt de reactiviteit naar moleculair waterstof.

Het Leidse team gebruikte twee gekromde platinakristallen om deze hypothese te testen. ‘Doordat het platinaoppervlak gekromd is, verloopt de atomaire structuur heel geleidelijk langs het oppervlak’, legt groepshoofd Ludo 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.’ Maar waarom is dit belangrijk? Het oppervlak van een katalysator is niet vlak en glad, maar onregelmatig met treden en knikjes. En precies bij deze onregelmatigheden vinden chemische reacties plaats. De onderzoekers bootsen dit effect na met hun gekromd platina, waarbij ze precies weten hoeveel treden of knikjes elk stukje kristal heeft. Zo konden de chemici de reactiviteit van waterstof meten ten opzichte van de dichtheid van de treden of knikjes op het platina.

Treden en knikjes

‘We hebben drie soorten onregelmatigheden geïdentificeerd,’ zegt promovendus Sabine Auras, eerste auteur van het onderzoek. ‘Je hebt het A-type, het B-type en het geknikte type.’ Voor elk type heeft Auras de reactiviteiten gemeten. Hoe meer treden of meer knikjes het oppervlak heeft, hoe hoger de reactiviteit – een weinig verrassende uitkomst. ‘Maar we zagen ook dat deze toename verschillend is voor elk type onregelmatigheid. En dit verschil komt niet overeen met wat je zou verwachten op het gebied van coördinatie.’ In plaats daarvan heeft het team dwarsdoorsnedes gedefinieerd voor de interactie tussen waterstof en treden of knikjes, die een belangrijke mijlpaal zijn voor andere onderzoekers in het veld.

‘Je kunt de wetenschap niet altijd sturen’

Langetermijnvisie

Het fundament voor deze publicatie in Angewandte Chemie werd vijf jaar geleden al gelegd, toen oud-promovendus Dima Bashlakov iets bijzonders ontdekte aan een gebogen platinakristal. ‘Ik denk dat ons onderzoek het idee onderschrijft dat wetenschapsfinanciering nooit gericht moet zijn op een kortetermijnvisie of op kortetermijnresultaten,’ zegt Juurlink. ‘Helaas zijn dit beide aspecten die tegenwoordig zo gewoon lijken in beursaanvragen. Auras voegt hieraan toe: ‘Ik begrijp dat we een verantwoordelijkheid hebben ten opzichte van de samenleving. Maar met een zekere mate van vrijheid, die langetermijn-financiering kan bieden, kunnen we echt unieke resultaten behalen. Je kunt de wetenschap niet altijd sturen.’

Publicatie

Sabine Auras et al. Scaling Pt-catalyzed hydrogen dissociation on corrugated surfaces, Angewandte Chemie (2020).