Een algemene aanname in de chemie is dat het coördinatiegetal van het oppervlak van een katalysator de reactiviteit bepaalt van de reactie die het katalyseert. Opvallend, chemici van de Universiteit Leiden hebben nu bewezen dat dit niet geldt voor de meest eenvoudige chemische reactie van de natuur:de dissociatie van waterstof. De onderzoekers wisten de zogenaamde absolute reactiviteiten van deze reactie te meten, een primeur in de wetenschap. Ze publiceerden hun bevindingen in Angewandte Chemie .

Geheim wapen

Katalysatoren worden veel gebruikt in ons dagelijks leven, zoals de platinakatalysator in de uitlaat van uw auto. Echter, vaak wordt niet begrepen hoe ze precies werken. Professor Ludo Juurlink en zijn groep proberen hier verandering in te brengen en hebben daarvoor een geheim wapen:een gekromd platina oppervlak. Vorig jaar, dit apparaat leverde hen twee publicaties op in toonaangevende tijdschriften:in Wetenschap ze hebben eindelijk bewezen welk theoretisch model voor de reactie van waterstof op platina correct is en in PNAS ze lieten zien hoe zuurstof reageert op platina. Nutsvoorzieningen, de scheikundigen gebruikten dit bijzondere platina om een ​​belangrijk ingeburgerd idee in de scheikunde op te schudden:coördinatie.

Inzoomen op een katalysator

Om dit uit te leggen, we moeten eerst kijken naar het oppervlak van een katalysator, waar chemische reacties plaatsvinden. Dit oppervlak bestaat uit atomen - platina-atomen in deze studie - die op een specifieke manier zijn uitgelijnd. Elk atoom heeft een ander coördinatiegetal, geeft aan hoeveel andere atomen dit specifieke atoom omringen. Als we de reactie van waterstof op platina als voorbeeld nemen, het algemene idee was als volgt:het coördinatiegetal van de atomen op het oppervlak van platina bepaalt de reactiviteit ten opzichte van moleculaire waterstof.

Het Leidse team gebruikte twee gekromde platinakristallen om deze hypothese te testen. "Omdat het platina-oppervlak gekromd is, de atomaire structuur verandert heel geleidelijk langs het oppervlak, " legt groepsleider Juurlink uit. "Je kunt deze constructie vergelijken met een trap, waarvan de stappen naar de randen steeds smaller worden. Middenin, het lijkt meer op een balzaal." Maar waarom is dat belangrijk? Het oppervlak van een katalysator is niet vlak en glad, maar onregelmatig, met stappen en knikken. En precies bij deze onregelmatigheden, chemische reacties plaatsvinden. Met het gebogen platina, de onderzoekers bootsen dit effect na, terwijl u tegelijkertijd precies weet hoeveel stappen of knikken elk deel van het kristal heeft. Hierdoor konden de chemici de reactiviteit van waterstof meten in vergelijking met de dichtheid van stappen of knikken op platina.

Stappen en knikken

"We hebben drie soorten onregelmatigheden vastgesteld, " zegt promovendus Sabine Auras, eerste auteur van de studie. "Er zijn de A-types, het B-type, en het geknikte type." Voor elk type, ze mat de reactiviteit. Waar het oppervlak meer treden of meer knikken heeft, de reactiviteit neemt toe. Tot dusver, niets nieuws onder de zon. "Maar we ontdekten ook dat deze toename voor elk type onregelmatigheid anders is. En dit verschil komt niet overeen met wat je zou verwachten qua coördinatie." In plaats daarvan, het team definieerde doorsneden voor de interactie van waterstof en stappen of knikken, die een belangrijke mijlpaal zijn voor andere onderzoekers in het veld.

Langetermijnvisie

De basis voor deze publicatie in Angewandte Chemie werden vijf jaar geleden gelegd toen voormalig Ph.D. kandidaat Dima Bashlakov ontdekte iets bijzonders bij het bestuderen van een gebogen platinakristal. "Ik denk dat ons onderzoek het idee onderschrijft dat wetenschapsfinanciering nooit gericht mag zijn op kortetermijnvisie of kortetermijnresultaten, " zegt Juurlink. "Helaas genoeg, dat zijn beide aspecten die tegenwoordig zo gewoon lijken in onderzoekstoepassingen."

Auras voegt toe:"Ik begrijp dat we een verantwoordelijkheid hebben voor de samenleving. Maar met een zekere mate van vrijheid, die langetermijnfinanciering kan bieden, we kunnen echt unieke resultaten behalen. Je kunt de wetenschap niet altijd sturen."