De elektrochemische reductie van een groep organische verbindingen op platina is sterk afhankelijk van de rangschikking van de atomen in het platina-oppervlak. Christoph Bondu, postdoc in de groep van Marc Koper, dit gepubliceerd in Natuur Katalyse op 4 maart. De reductie van dergelijke verbindingen is een belangrijk proces bij het verduurzamen van chemische grondstoffen.

Veruit de meeste grondstoffen in de chemische industrie zijn gebaseerd op fossiele bronnen, waardoor ze inherent onhoudbaar zijn. Een duurzamer alternatief zou zijn om over te stappen op biomassagerelateerde grondstoffen, bijvoorbeeld bij de synthese van kunststoffen. In vergelijking met fossiele koolwaterstoffen, biomassa bevat veel meer C=O bindingen:een koolstof- en zuurstofatoom met een dubbele binding. Zo'n verbinding met een C=O binding wordt ook wel een keton genoemd. Voordat deze biomassa kan worden ingezet in bestaande chemische processen, de C=O bindingen moeten worden verminderd.

“Als je die reductie kunt realiseren met duurzaam opgewekte elektriciteit, met andere woorden met elektrochemie, dat zou geweldig zijn, " zegt Marc Koper, Hoogleraar Katalyse en Oppervlaktechemie. "Daar hebben we ons in dit onderzoek op gericht." Het onderzoek maakt deel uit van een NWO-project in het kader van "New Chemical Innovations, " medegefinancierd door Shell en Akzo Nobel.

Voor dit onderzoek is Bondue en Koper werkten samen met Federico Calle-Vallejo van de Universiteit van Barcelona. Calle-Vallejo ondersteunde het experimentele werk met computerberekeningen. De onderzoekers keken naar de eenvoudigste ketonverbinding, het oplosmiddel aceton - bij de meeste mensen beter bekend als nagellakremover. Ze keken naar de mogelijkheid om de C=O-binding te verkleinen met behulp van elektrochemie, met platina als elektrokatalysator. De atomaire structuur van het platina-oppervlak beïnvloedde niet alleen de effectiviteit van de reactie, maar ook het resultaat.

Bijvoorbeeld, er gebeurt helemaal niets op een platina-oppervlak waarin de atomen het dichtst opeengepakt zijn, in de honingraatstructuur. Op een oppervlak waarin de platina-atomen zijn gerangschikt als een schaakbord, er ontstaat een product dat het oppervlak niet meer wil verlaten:zo'n platina-oppervlak inactiveert zichzelf. De daadwerkelijke reductie van de C=O-binding vindt alleen plaats als er zogenaamde defecten in de oppervlaktestructuur zijn. Dit zijn onderbrekingen in de reguliere honingraat- of schaakbordstructuur.

De katalyse gebeurt op zo'n manier dat het product van de reductie afhangt van hoe de platina-atomen precies in het defect zijn gerangschikt. Om dit nader te omschrijven, drogist het coördinatienummer gebruiken. Dit geeft aan met hoeveel andere atomen een platina-atoom is verbonden. Koper en zijn collega's ontdekten dat een defect met een hoog coördinatiegetal 2-propanol produceert, een alkohol. Bij een defect met een lager coördinatiegetal, de onderzoekers maten propaan - een molecuul waarin het zuurstofatoom dat oorspronkelijk in aceton zat, volledig is uitgereageerd.

"Er is regelmatig gemeld dat de reactiviteit erg gevoelig is voor de structuur van het platina-oppervlak, ", zegt Koper. "Zie bijvoorbeeld het recente onderzoek van Ludo Juurlink, die een gebogen platina-oppervlak gebruikten. Maar de observatie dat de selectiviteit - of het product dat je maakt - zo gevoelig is voor de lokale structuur is vrij uniek."

"Met dit inzicht we kunnen efficiënter katalysatoren ontwikkelen voor de omzetting van biomassa-gerelateerde moleculen in gewenste eindproducten, ", zegt Koper. "Onze recente experimenten laten zien dat complexere ketonen dan aceton hetzelfde gedrag vertonen, zoals de reductie van acetofenon, een aromatische geur." Dit is een indicatie dat het onderzoek van Koper en zijn medewerkers geëxtrapoleerd kan worden naar het terugdringen van biomassa.