Na bijna vier decennia, Leidse en Eindhovense scheikundigen hebben de discussie over het juiste model met betrekking tot de eenvoudigste chemische reactie in heterogene katalyse opgelost, wat essentieel is voor brandstofcellen. Met behulp van een uniek gebogen platina-oppervlak, Ludo Juurlink en Ph.D. kandidaat Richard van Lent uit Leiden en Michael Gleeson van DIFFER lieten zien welk model de reactie van waterstof correct beschrijft. Ze publiceerden hun bevindingen in Wetenschap op 11 januari.

Al bijna vier decennia woedt er in de chemische literatuur een verhit debat:welke van de twee bestaande modellen voor de reactie van waterstof op een platinakatalysator is correct (zie kader)? Traditionele methoden waren niet voldoende om dit te bewijzen. Leids chemicus Ludo Juurlink en Michael Gleeson van het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) besloten een nieuwe methode te ontwikkelen om sluitend bewijs te leveren, wat een succes bleek te zijn.

De twee bestaande modellen voor heterogene katalyse geven verschillende voorspellingen over hoe de reactie van waterstof afhangt van de structuur van het platina-oppervlak. Door middel van metingen konden de onderzoekers de reactiviteit van waterstof bepalen en zo aantonen welk model correct is. Het gekromde platinakristal was daarbij cruciaal, die voor het eerst werd gemaakt door een Nederlands bedrijf in Zaandam. "Omdat het platina-oppervlak gekromd is, de atomaire structuur verandert heel geleidelijk langs het oppervlak, " legt Juurlink uit. "Je kunt deze constructie vergelijken met een trap, waarvan de stappen naar de randen steeds smaller worden. In het midden lijkt het meer op een balzaal." Het bleek dat de reactiviteit van waterstof lineair afhankelijk was van hoe dicht de treden bij elkaar staan. Hoe verder de treden uit elkaar stonden, hoe minder reactief waterstof was. "En dus is het model dat een niet-lineair gedrag voorspelde onjuist, " hij zegt.

Het onderzoek is uitgevoerd in ultrahoog vacuüm en levert belangrijke inzichten op. "We weten nu beter hoe we de snelheid van chemische reacties moeten berekenen - een van de modellen draagt ​​​​niet significant bij, ", zegt Juurlink. "Daarnaast we weten nu dat deze gebogen kristaloppervlakken een unieke, nieuwe kans om te leren hoe chemische reacties daadwerkelijk plaatsvinden op oppervlakken. Daar gaan we zeker meer onderzoek mee doen."

Bijna alle grote chemische industriële processen maken gebruik van heterogene katalyse. Katalysatoren zijn soms duur en zeldzaam, zoals platina, een veel voorkomende katalysator die wordt aangetroffen in brandstofcellen en uitlaatsystemen van auto's. "Het ongebruikelijke is dat we meestal niet eens echt weten hoe en waarom dergelijke katalysatoren chemische reacties versnellen, ", zegt Juurlink. Beter inzicht in dit hoe en waarom zal bijdragen aan het verduurzamen van de chemische industrie. "Op basis van een beter begrip van wat er op atomair niveau gebeurt, we kunnen nieuwe katalysatoren ontwikkelen, ", zegt Juurlink. "Katalysatoren die minder energieverlies veroorzaken en minder afhankelijk zijn van dure en zeldzame materialen."