Onderzoekers lossen mysterie van ‘structuur-ongevoelige’ katalytische reacties op

Een internationaal onderzoeksteam heeft een fundamenteel mysterie in de katalyse opgelost: de paradox van structuur-ongevoeligheid. Om betere katalysatoren te maken, bestuderen onderzoekers al lang de optimale vorm en grootte van de nanodeeltjes, omdat dit invloed heeft op hun prestatie in chemische reacties. Vreemd genoeg bleken voor sommige katalysatoren de vorm en grootte van de nanodeeltjes geen invloed te hebben op de prestaties. Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Bert Weckhuysen heeft nu aangetoond dat dit niet het geval is. In plaats daarvan slagen deze zogenaamd ‘structuur-ongevoelige’ deeltjes erin om zichzelf extreem snel te herschikken tot een optimale structuur, waardoor de prestaties steeds vergelijkbaar zijn. Dit inzicht kan helpen bij de ontwikkeling van katalysatoren voor bijvoorbeeld schonere brandstoffen.

Het team van onderzoekers van de Universiteit Utrecht, in samenwerking met het Technion Institute of Technology, de Universiteit Eindhoven, Oak Ridge National Laboratory, Stony Brook University en het Paul Scherrer Instituut, publiceert de resultaten vandaag in Nature Communications.

Nooit echt verklaard

Katalysatoren worden op grote schaal gebruikt in de chemische industrie om efficiënter brandstoffen, chemicaliën en materialen te maken, waaronder kunststoffen, coatings en geneesmiddelen. Katalysatoren zijn nanodeeltjes, slechts een miljoenste van een millimeter groot, die werken door moleculen aan hun oppervlak te activeren. Omdat de deeltjes zo klein zijn, zijn hun prestaties sterk afhankelijk van hun vorm: een heel klein deeltje heeft een onregelmatiger oppervlak met afzonderlijke atomen die ‘uitsteken’, terwijl grotere deeltjes meer ‘platte’ zijden van atomen hebben.

Omdat moleculen anders reageren op platte dan op onregelmatige vlakken, zou je dus verwachten dat grotere nanodeeltjes zich heel anders gedragen dan kleinere. Er bestaan echter katalytische reacties waarbij dit niet het geval is. “Deze ‘structuur-ongevoelige’ reacties waren tot op heden nooit echt verklaard,” zegt Charlotte Vogt, eerste auteur van de paper.

Razendsnelle herstructurering

De onderzoekers gebruikten een combinatie van geavanceerde infraroodspectroscopie, röntgenspectroscopie en elektronenmicroscopie om een reeks goed gedefinieerde nikkelkatalysatoren te bestuderen. Ze vergeleken de activiteit van deze katalysatoren voor een structuur-ongevoelige reactie, waarbij etheen in ethaan wordt omgezet, en een structuur-gevoelige reactie: het omzetten van kooldioxide in methaan.

Bij de vermeende structuur-ongevoelige reactie zagen de onderzoekers een razendsnelle herstructurering van het oppervlak van de metalen nanodeeltjes. Deze herstructurering gebeurt sneller en is meer uitgesproken voor grotere nanodeeltjes dan voor kleinere. De meest waarschijnlijke verklaring voor de waargenomen structuur-ongevoeligheid is dus niet dat de reactie daadwerkelijk ongevoelig is voor geometrische en elektronische effecten, maar dat het metaaloppervlak snel verandert als functie van de deeltjesgrootte, waardoor alleen zeer specifieke plekken op het deeltjesoppervlak actief zijn voor reacties. Daarom stellen de onderzoekers voor om de term ‘structuur-ongevoeligheid’ te vervangen door ‘schijnbare structuur-ongevoeligheid’.