Katalysator trekt zuurstofjas aan en uit

Gloeiend heet palladium
Gloeiend heet palladium

Katalysatoren zijn de werkpaarden van de chemische industrie. Ze versnellen chemische reacties zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Wat er tijdens de katalyse met de atomen aan het katalysatoroppervlak gebeurt, werd tot nu toe door de beperkingen van microscopische technieken vooral bij lage gasdrukken bestudeerd.

Onder leiding van hoogleraar Joost Frenken hebben onderzoekers van de Universiteit Leiden en de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble het mechanisme ontdekt achter een al langer bekend, bijzonder fenomeen. Onder normale druk wisselt het katalysatoroppervlak razendsnel tussen twee gedaanten. In de ene structuur is de katalysator bedekt door een oxidelaagje van precies één zuurstofatoom dik. In de andere structuur is dit laagje afwezig, zoals bij lage drukken. Met het zuurstofjasje aan gaat de katalyse sneller dan met het jasje uit. Frenken en de zijnen vonden dat de drijvende kracht achter het schakelfenomeen de ruwheid van het oppervlak is. (Nature Chemistry, 11 juli 2010).

De onderzoekers bestudeerden de reactie van het giftige koolmonoxide tot het onschadelijke koolstofdioxide, met het metaal palladium als katalysator. Met een speciaal voor relatief hoge drukken ontwikkelde Scanning Tunneling Microscoop werd het oppervlak atoom voor atoom afgetast. Met een eveneens speciaal ontwikkeld reactievat werd met krachtige röntgenstraling een paar atoomlagen diep in het oppervlak als geheel gekeken.

De ruwheid van het oppervlak bleek de beslissende factor. Wanneer het katalysatoroppervlak nog alleen uit metaalatomen bestaat, is het gunstig om zich te bedekken met zuurstofatomen. Maar zodra het oppervlak geheel is bedekt met het zuurstoflaagje, wordt het door de katalysereacties steeds ruwer. Op een gegeven moment is het oppervlak zo ruw dat het gunstiger is om het zuurstofjasje weer uit te trekken. Het aan- en uittrekken van het zuurstofjasje gaat zo veel sneller dan het ruwer of gladder worden van het oppervlak dat het abrupte overgangen lijken.

In de praktijk bestaan katalysatoren vaak uit bolletjes, terwijl de onderzoekers een plat stukje metaal als katalysator gebruikten. Toch hebben ze al de eerste aanwijzingen gevonden dat het snel schakelen tussen de structuren ook bij bolletjes optreedt.

Samen met chemiebedrijven gaan de onderzoekers met hun nieuwe kennis proberen om katalysatoren efficiënter te maken.