Auto-CAT verrassend anders

Prestaties katalysator nu begrepen
Doordat het tweede reactiepad onbekend was, hebben chemici nooit goed begrepen wat het verschil uitmaakt tussen een goed presterende en een slecht presterende katalysator. Zo zagen ze een dun laagje oxide op de katalysator altijd als nadelig voor de katalyse. Ackermann ontdekte echter hoe zo’n laagje ontstaat, en laat zien dat het er juist voor zorgt dat de katalysator zijn werk goed doet. Onderzoekers kunnen nu precies bepalen welke atomaire structuur hoort bij een goed en welke bij een slecht presterende katalysator.

Dinsdag 13 november promoveert Ackermann aan de Universiteit Leiden. Hij kon zijn vinding doen, omdat hij samen met een team wetenschappers en technici een techniek ontwikkelde waarmee hij katalyse op atomair niveau voor het eerst kan bestuderen onder realistische omstandigheden, namelijk bij hoge temperaturen en hoge gasdruk. Zijn nieuwe techniek is een vorm van Röntgendiffractie die gevoelig is gemaakt voor de structuur van het oppervlak van een kristal.

Uitlaatgassen
Ackermann onderzocht hiermee de elementaire stappen van de katalytische oxidatie van koolmonoxide (CO) op platina en palladium. Dit is precies de reactie die zich voltrekt in de bekende 3-weg katalysator, die schadelijke stoffen in uitlaatgassen omzet in minder schadelijke. Een 3-weg katalysator bestaat tegenwoordig uit kleine deeltjes platina en palladium, die onder andere de omzetting van koolmonoxide (CO) naar kooldioxide (CO2) met behulp van zuurstof (O2) katalyseren.

Binden en loslaten
In de scheikunde bestaat een beproefde formule die de hele weg beschrijft van reactanten naar eindproduct: hoe moleculen van de beide reactanten zich aan het oppervlak binden (adsorptie), elkaar daar tegenkomen en een nieuw reactieproduct maken, dat vervolgens het oppervlak weer loslaat (desorptie). Deze formule, door chemici al 100 jaar gebruikt, beschrijft globaal het eerste, bekende reactiepad: CO en O2 worden geadsorbeerd op het oppervlak, waarbij O2 gesplitst wordt in twee losse O atomen. Op het oppervlak vinden O en CO elkaar, waarbij CO2 gevormd wordt.

Maar het kan ook volstrekt anders gaan, en dat beschrijft de formule niet. Het oppervlak vormt in dit geval eerst een atoomdunne laag platina- of palladiumoxide. De CO-moleculen die met deze oxidelaag in aanraking komen, oxideren onmiddellijk tot CO2. Dit proces voltrekt zich alleen als de druk van zuurstof (O2) relatief hoog is ten opzichte van de druk van koolmonoxide (CO).

Resultaten systematisch verkeerd geïnterpreteerd
Bij lage druk en lage temperatuur – de gebruikelijke, overigens al zeer doordachte en geavanceerde laboratoriumomstandigheden – is dit tweede proces nooit waargenomen. De oxidelaag kan zich onder die omstandigheden namelijk helemaal niet vormen. Chemici hebben daarom altijd verondersteld dat de vorming van een oxidelaag nadelig moest zijn voor de katalytische reactie, en hebben resultaten waarin platina- en palladiumoxides zijn waargenomen systematisch verkeerd geïnterpreteerd. Door het meten van de structuur van de oxidelaag tijdens de katalytische oxidatie van CO hebben de onderzoekers ook voor het eerst het effect van de reactie op de oxidelaag zelf kunnen onderzoeken. Ze zagen dat deze dunne en gladde oxidelaag als gevolg van de reactie verruwt. Dit bevestigt het scenario dat CO de zuurstof voor de oxidatie naar CO2 daadwerkelijk uit de laag platina- of palladiumoxide haalt.

Reactiesnelheid versnelt en vertraagt
De lege plek die het verdwenen zuurstofatoom heeft achtergelaten in de oxidelaag, wordt vervolgens weer aangevuld met verse zuurstofmoleculen uit de gasfase, wat het oxidelaagje in stand houdt. Onder bepaalde omstandigheden zal het oppervlak, door het verruwen, spontaan heen en weer schakelen tussen een geoxideerde en niet-geoxideerde staat. Daarmee samenhangend zal de reactiesnelheid van katalytische reactie versnellen en vertragen.

Maar ook het eerste, bekende, reactiepad kan veel beter begrepen worden met de nieuwe techniek. De genoemde chemische formule beschrijft bijvoorbeeld niet hóe een zuurstofmolecuul op het platina gesplitst wordt in twee losse zuurstofatomen, en hóe de zuurstofatomen en de koolmonoxide elkaar ‘vinden’ op het oppervlak.

Oppervlakten ‘hot’
Het onderzoek naar chemische processen op vaste oppervlakken staat momenteel sterk in de belangstelling. De Nobelprijs voor scheikunde ging dit jaar naar Gerhard Ertl voor diens oppervlaktewerk. Het industriële belang van het onderzoek van Ackermann werd recent onderstreept met de start van het publiek-private onderzoeksprogramma NIMIC, waarin de TU Delft, de Universiteit Leiden, en diverse industrieën en onderzoeksinstituten samenwerken om voor de industrie en de geneeskunde belangrijke processen op en onder oppervlakken zichtbaar te maken op atomaire schaal.

Marcelo Ackermann kreeg vorig jaar tijdens de 24ste European Conference on Surface Science (ECOSS) de prijs voor de beste student paper. Ackermann is verbonden aan de Interface Physics groep van professor Joost Frenken, LION, Leiden Institute of Physics.