De Nobelprijs voor oneindig ontrafelen

De autokatalysator hadden we al, maar Gerhard Ertl ontrafelde het mechanisme.

Gisteren kreeg de Duitser Nobelprijs voor scheikunde.

De Duitser Gerhard Ertl die duidelijk heeft gemaakt hoe autokatalysatoren koolstofmonoxide omzetten in koolstofdioxide, heeft gisteren de Nobelprijs voor de scheikunde gekregen. Hij hoeft de prijs van 1,1 miljoen euro met niemand te delen, wat tegenwoordig tamelijk uitzonderlijk is.

Ertl (1936)werkte zijn hele carrière aan chemische reacties die zich op oppervlakten afspelen. Hij deed eerst onderzoek in München, van 1976 tot 1986 aan verschillende Amerikaanse universiteiten, en sindsdien aan het Fritz-Haber-Institut van het MaxPlanck-Gesellschaft in Berlijn.

Bij chemische reacties in vloeistof is het verloop van een reactie afhankelijk van moleculen die met elkaar botsen en elkaar dan zó aantrekken of afstoten, dat een chemische verbinding wordt verbroken of gevormd. Maar aan váste oppervlakten gaat het anders. Een oppervlak dat een reactie bevordert, heeft zo’n vorm dat een molecuul er graag aan bindt, waarbij het toch een beetje uit zijn vorm wordt getrokken.

Eenmaal vast aan het oppervlak kan het molecuul zelfs zó sterk aan het oppervlak binden, dat het uiteenvalt in afzonderlijke delen. De delen die daarbij ontstaan reageren dan vaak weer zeer snel met andere verbindingen die in de buurt ‘rondzwerven’ of die ook op het oppervlak gebonden zijn.

In deze beschrijving is het oppervlak een katalysator: een stof die wel meedoet in de reactie en deze stimuleert, maar na afloop toch onveranderd is gebleven. Het ontwerp van geschikte oppervlakten is een kwestie van goed berekende en geconstrueerde afstanden tussen aantrekkelijke bindingsplaatsen. Met detailkennis over de moleculaire processen is het mogelijk nieuwe katalysatoren doelgericht te ontwerpen. Ook andere wetenschapsgebieden profiteren daarvan. Bij het ontwerp van brandstofcellen waarin waterstof bindt aan zuurstof en er water ontstaat, is het gebruikte oppervlak bijvoorbeeld ook van cruciaal belang.

Ertl werkte aanvankelijk aan reacties waarbij stikstof (N2) uit de atmosfeer met waterstof (H2) wordt gebonden tot ammoniak (NH3). Die reactie, en de katalysator met ijzerverbindingen die hem makkelijk laat verlopen, is de basis onder de kunstmestproductie. Die reactie bestaat al veel langer – Fritz Haber kreeg er in 1918 de Nobelprijs scheikunde voor – maar Ertl ontrafelde het mechanisme tot in detail.

Later verdiepte hij zich in de binding van zuurstof aan koolstofmonoxide (met als product koolstofdioxide). Die reactie verloopt heel goed aan een platina-elektrode.

De platina-elektrode werd al lang in katalysatoren in auto-uitlaten toegepast, toen Ertl tussen 1983 en het begin van deze eeuw liet zien hoe koolstofmonoxide en zuurstof, beide in steeds over het oppervlak verschuivende aparte, microscopisch kleine zones, op de platina-katalysator zijn gebonden. Waar de zuurstof- en koolstofdioxiderijke zones met elkaar in contact zijn, vindt de reactie plaats. Ertl liet zien dat niet-lineaire dynamica een grote rol speelt in deze oppervlakteprocessen.

Hoewel de katalysatoren die Ertl bestudeerde, zoals de katalysator in de auto-uitlaat, allemaal bij gewone luchtdruk in vaak vervuilende omstandigheden hun werk doen, kon hij de moleculaire mechanismen die er een rol spelen alleen achterhalen met experimenten in hoogvacuümappratuur en in stofvrije clean rooms. Hij gebruikte ook steeds de nieuwste generaties elektronenmicroscopen en laserapparatuur om de binding van moleculen aan een oppervlak vast te kunnen leggen.

Ertls werk blijkt overigens ook bruikbaar bij het ontwerp van corrosiebeschermende lagen op oppervlakten.