Zware atomen bron van innovatie
Het Eley-Rideal-proces heeft namelijk minder energie nodig dan een reactie tussen twee atomen die allebei aan het materiaal zitten vastgeplakt. De ontdekking kan leiden tot efficiëntere katalysatoren voor bijvoorbeeld de productie van kunstmatige brandstof.
De meeste chemische reacties aan een materiaaloppervlak (katalysator) volgen het Langmuir-Hinshelwood-schema: atomen plakken vanuit de omgeving vast aan het materiaal en wandelen over het oppervlak tot ze elkaar tegenkomen. Daar reageren de atomen met elkaar, en komen ze weer van het oppervlak los.
Bij Eley-Rideal-reacties reageert een deeltje aan het oppervlak juist direct met een aanvliegend atoom uit de omgeving. Volgens de theorie vindt dit reactietype het makkelijkst plaats met lichte, snel bewegende atomen. In de praktijk is Eley-Rideal zelfs alleen aangetoond met het lichtste atoom, waterstof. Het team van DIFFER, het Materials innovation institute M2i en het Amsterdamse Van ’t Hoff-instituut laat nu voor het eerst zien dat ook zwaardere atomen als stikstof en zuurstof een Eley-Rideal-reactie aan kunnen gaan.
Kaatsen in een oogwenk
“In onze opstelling, Harpoen, kunnen we het verschil tussen de twee reactiesoorten direct zien”, legt onderzoeksleider dr. Teodor Zaharia uit. “Bij de Eley-Rideal-reactie gebeurt de reactie in een oogwenk: de originele bewegingsenergie van het stikstof blijft behouden en dus zie je het reactieproduct onder dezelfde hoek van het oppervlak af kaatsen als waarmee het originele stikstof aan kwam.”
Bij de Langmuir-Hinshelwood-reactie is er juist geen verband tussen de bewegingsrichting van de originele atomen en de reactieproducten. Door de ‘dronkenmanswandeling’ over het oppervlak gaat de informatie over de originele beweegrichting verloren. Met detectoren die de richting van het reactieproduct kunnen meten zagen Zaharia en zijn team nu de vingerafdruk van de Eley-Rideal-reactie heel erg duidelijk.
Dat blijkt ook uit de hogere energie van de reactieproducten. Slechts één van de reagerende atomen hoeft namelijk zijn band met het oppervlak te verbreken, waardoor minder energie nodig is. De Eley-Rideal-reactie tussen zwaardere atomen is dan ook aantrekkelijk voor toepassingen in de katalyse. Het reactiepad biedt extra controle over welke deeltjes reageren en dat kan leiden tot nieuwe manieren om materialen te produceren en te bewerken. Het onderzoek zal worden voortgezet in een samenwerking tussen DIFFER en het Center of Interface Dynamic for Sustainability dat mede-onderzoeker en voormalig directeur van DIFFER prof.dr. Aart Kleyn in het Chinese Chengdu heeft opgezet.
