De platina-katalysator in de proefopstelling onder ultrahoog vacuüm. Universiteit Leiden

Nederlandse scheikundigen lossen na vier decennia een hardnekkig probleem op

Nederlandse scheikundigen hebben na zo'n 40 jaar de discussie kunnen beslechten over het juiste model voor de eenvoudigste chemische reactie in de zogenoemde heterogene katalyse, een reactie die essentieel is voor brandstofcellen. Met behulp van een uniek gekromd platinaoppervlak toonden de onderzoekers van de Universiteit Leiden en DIFFER uit Eindhoven aan welk model van de twee de reactie van waterstof met een platinakatalysator correct beschrijft.

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? Met behulp van traditionele methoden bleek dit niet aan te tonen. 

Er zijn twee modellen: Model 1, dat stelt dat de meeste waterstofmoleculen "schaatsend" over het gladde platinaoppervlak aan de stapranden van platina terechtkomen, en daar dan reageren, en dat dus een niet-lineair gedrag voorspelt. Model 2 voorspelt dat de waterstofmoleculen voornamelijk direct vanuit de gasfase reageren aan de stapranden van platina. 

Ludi Juurlink, een van de auteurs van de nieuwe studie en een chemicus aan de Universiteit Leiden, legde in een persmedeling van de universiteit 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 gaf 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 (Model 1), of hij is vanaf de kant direct in het wak gesprongen (Model2)." 

Een weergave van de twee modellen: bij Model 1 "schaatst" de waterstofmolecule over het platinaoppervlak voor ze reageert, bij Model 2 reageert ze direct vanuit de gasfase aan de stapranden van platina. De onderzoekers zagen verschillen tussen de twee verschillende soorten 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). Universiteit Leiden

Een trap die steeds smaller wordt

Omdat de traditionele methoden geen uitsluitsel konden geven, besloot chemicus Juurlink samen met zijn promovendus Richard Van Lent en Michael Gleason van DIFFER, het Dutch Institute for Fundamental Energy Research in Eindhoven, een nieuwe methode te ontwikkelen om sluitend bewijs te leveren. 

De twee bestaande modellen voor heterogene katalyse  - waarbij de katalysator meestal een vaste stof is, in dit geval platina, en de reactanten of reagerende stoffen een gas of een vloeistof, in dit geval waterstofgas - 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 gekromde platinakristal cruciaal, een primeur van een Nederlands bedrijf in Zaandam.

"Doordat het platinaoppervlak gekromd is, verloopt de atomaire structuur heel geleidelijk langs het oppervlak", zei Juurlink. "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", zei hij. Dat is dus Model 1.

Belangrijke inzichten

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", zei 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."

Promovendus Richard van Lent bij de proefopstelling (Foto: Universiteit Leiden).

Nieuwe, betere katalysatoren

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’, zei 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."

De studie van Juurlink, van Lent, Gleeson en hun collega's is gepubliceerd in Science.

Meer nieuws