Effectiviteit van katalysator voor het eerst berekend

Binnen het vakgebied van de heterogene katalyse wordt al jarenlang gezocht naar efficiënte en selectieve katalysatoren.

Dat onderzoek geschiedt voor een groot deel via 'trial and error'. Met de publikatie in Nature (10 juni) van het werk van een groep onderzoekers van het Koninklijke/Shell Laboratorium in Amsterdam, lijkt daar echter verandering in te komen. Zij zijn er in geslaagd om met behulp van zowel quantumchemische berekeningen als klassieke methoden het verschil in reactiviteit van twee katalysatoren (zeolieten) te verklaren.

Zeolieten zijn poreuze materialen die worden doorsneden door talrijke submicroscopische kanalen. Ze bestaan uit drie elementen: zuurstof, silicium en aluminium, waarbij elk silicium-atoom wordt omringd door vier zuurstofatomen die zijn gerangschikt in de vorm van een tetraëder. Op willekeurige plaatsen is het silicium vervangen door aluminium, hetgeen een netto negatieve lading tot gevolg heeft, die gecompenseerd kan worden door de aanwezigheid van positieve waterstofionen.

Als modelreactie hebben de Shell-onderzoekers nu bestudeerd hoe het zware waterstofatoom deuterium (D) in gedeutereerd methaan (CD) wordt uitgewisseld voor een gewoon waterstofatoom afkomstig uit de zeoliet.

Het probleem van quantumchemische berekeningen aan zeolieten is de uitgebreidheid ervan. Om vanuit de basisprincipes de eigenschappen van de atomen tot in detail te berekenen (in een zogenaamde ab initio berekening), zouden oneindig veel interacties in beschouwing dienen te worden genomen. Daarom werd uitgegaan van een modelsysteem, een moleculaire cluster die de actieve plaats van de zeoliet zo natuurgetrouw mogelijk imiteert (zie tekening).

De berekeningen aan dit systeem toonden aan dat de bovengenoemde modelreactie langzamer verloopt, naarmate het verschil in proton-affiniteit tussen de twee zuurstofatomen die betrokken zijn bij de interactie met het methaan, groter is.

Voor twee zeolieten, waarvan deze affiniteiten bekend waren uit ander onderzoek, werd de reactiesnelheid via infraroodspectroscopie gemeten èn daarnaast berekend, waarbij een prachtige overeenkomst tussen theorie en experiment werd gevonden. Verder onderzoek moet uitwijzen of dezelfde methoden hun nut blijven bewijzen.