Het Instituut voor Toegepaste Fysica van de TU Wenen heeft een nieuwe technologie voor betere katalysatoren ontwikkeld. Conventionele katalysatormaterialen zijn duur en minder efficiënt dan gewenst. Dit kan veranderen door het gebruik van iridiumatomen op een speciaal ijzeroxide oppervlak.
Katalysatoren zijn chemische stoffen die de reactiesnelheid van een chemische reactie verhogen. Deze versnelling wordt mogelijk gemaakt door het verlagen van de activeringsenergie. Katalysatoren zijn onmisbaar in de chemische industrie en in de automobielindustrie. In de automobielindustrie zijn deze sinds 1988 verplicht voor alle voertuigen met een benzinemotor.
Katalytisch actieve edelmetalen
In het uitlaatsysteem van de auto heeft de katalysator tot taak een chemische reactie in het uitlaatgas op gang te brengen. Dit wordt mogelijk gemaakt door katalytisch actieve edelmetalen zoals platina of rodium, die het aandeel van voor het milieu schadelijke koolmonoxide, onverbrande koolwaterstoffen en stikstofoxide in het uitlaatgas verminderen. Bij dit proces komt het gas in contact met het metalen oppervlak en kan het chemisch reageren met andere gascomponenten.
Inefficiënt systeem
Prof. Gareth Parkinson van het Instituut van Toegepaste Natuurkunde aan de Technische Universiteit in Wenen legt het probleem met deze technologie uit: “Het katalysatormateriaal is aanwezig als één groot blok. Daarom kunnen alleen de buitenste atomen van het edelmetaal bij het proces worden betrokken. De atomen in het metaal zijn niet toegankelijk voor het gas. Onderzoekers streven daarom de visie na van een katalysatormateriaal dat zo fijn mogelijk kan worden gedistribueerd en dat veel atomen kan activeren. Dit zou bijvoorbeeld het geval zijn bij fijne korrels. Om dit doel te bereiken, volgen onderzoekers wereldwijd twee strategieën:
1. Vaste metaalkatalysatoren
Enkelvoudige atomen zouden ideaal zijn, als die allemaal op de juiste manier als katalysator actief worden. De realisatie van dit ideaal mislukt echter door de moeilijkheid om afzonderlijke atomen vast te stellen. Parkinson: “Als metaal-atomen op een oppervlak worden afgezet, hebben ze meestal een zeer sterke neiging om samen te klonteren en nanodeeltjes te vormen.”
2. Vloeibare Katalysatoren
Actieve metaal-atomen zijn niet aan een oppervlak bevestigd, maar zijn ingebouwd in een klein molecuul met nauwkeurig geselecteerde, naast elkaar gelegen atomen. De resulterende katalysatorvloeistof wordt gemengd met andere vloeibare stoffen. Na de chemische reactie moet het product echter van de katalysator worden gescheiden.
Voor- en nadelen van de strategieën
Het voordeel van vaste metaalkatalysatoren ligt in:
- in een hoger debiet;
- het vermogen om continu te werken zonder de katalysator herhaaldelijk van de productstoffen te moeten scheiden.
Het voordeel van vloeibare katalysatoren ligt juist in het gemak om de moleculen naar wens te kunnen aanpassen.
Combinatie van strategieën
Parkinson en zijn team van de Technische Universiteit van Wenen werken al jaren aan de gecontroleerde verwerking van metaaloxideoppervlakken. Nu zijn ze erin geslaagd door de voordelen van bovengenoemde strategieën te combineren. Parkinson: “Onze ervaring met complexe oppervlaktefysieke problemen heeft ons tot één van de weinige laboratoria ter wereld gemaakt die in staat zijn om metaal-atomen volledig te integreren in een vast oppervlak.”
Net als bij het proces met vloeibare katalysatoren kunnen onderzoekers nu precies de naastgelegen atomen selecteren die chemisch geschikt zijn. Tegelijkertijd kunnen ze met behulp van speciale oppervlaktefysieke maatregelen in een solide matrix worden geïntegreerd.
Succes met iridium-atoom
De prestatie is gebaseerd op iridiumatomen op een speciaal oppervlak van ijzeroxide. De iridiumatomen vertonen geen neiging tot agglutinatie wanneer ze op het ijzeroxideoppervlak worden afgezet en kunnen nauwkeurig worden bevestigd. Bovendien kan de chemische activiteit van de iridiumatomen worden aangepast aan het aantal atomaire buren op het oppervlak. Dit laatste kan bijvoorbeeld worden gebruikt om koolmonoxide om te zetten in kooldioxide.
Met enkelvoudige atoomkatalyse op oppervlakken bevindt Parkinson zich in een veelbelovend onderzoeksgebied. “Er zijn al geïsoleerde metingen met zulke katalysatoren gedaan”, legt de onderzoeker uit. Tot nu toe is het succes echter eerder door toeval bepaald. De technologie die hij heeft gevonden brengt daar verandering in door de optimale controle die deze biedt over de atomaire eigenschappen van het oppervlak.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
