Voor jaren, de metalen nanodeeltjes die in katalysatoren worden gebruikt, worden steeds kleiner. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam aan de TU Wien in Wenen, Oostenrijk heeft laten zien dat alles ineens anders is als je aankomt op de kleinst mogelijke maat:een enkel atoom.

Metalen zoals goud of platina worden vaak als katalysator gebruikt. In de katalysatoren van voertuigen, bijvoorbeeld, platina nanodeeltjes zetten giftige koolmonoxide om in niet-giftige CO ₂ . Omdat platina en andere katalytisch actieve metalen duur en zeldzaam zijn, de betrokken nanodeeltjes zijn in de loop van de tijd steeds kleiner gemaakt.

Katalysatoren met één atoom zijn het logische eindpunt van deze inkrimping:het metaal is niet langer als deeltjes aanwezig, maar als individuele atomen die verankerd zijn op het oppervlak van een goedkoper dragermateriaal. Individuele atomen kunnen niet langer worden beschreven met behulp van de regels die zijn ontwikkeld op basis van grotere stukken metaal, dus de regels die worden gebruikt om te voorspellen welke metalen goede katalysatoren zullen zijn, moeten worden herzien - dit is nu bereikt aan de TU Wien. Zoals het blijkt, katalysatoren met één atoom op basis van veel goedkopere materialen zouden zelfs nog effectiever kunnen zijn. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Kleiner is soms beter

Alleen de buitenste atomen van het stuk metaal kunnen een rol spelen in chemische processen - per slot van rekening de atomen binnenin komen nooit in contact met de omgeving. Om materiaal te besparen, het is daarom het beste om kleine metaaldeeltjes te gebruiken in plaats van grote klonten, zodat een groter deel van de atomen zich aan het oppervlak bevindt. Als we naar de uiterste limiet gaan en individuele atomen gebruiken, elk afzonderlijk atoom is chemisch actief. In de afgelopen tien jaar is het gebied van katalyse met één atoom enorm gegroeid, groot succes boeken.

Verkeerd model, juiste oplossing

"De redenen waarom sommige edelmetalen goede katalysatoren zijn, werden al in de jaren zeventig onderzocht, " zegt prof. Gareth Parkinson van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de TU Wien. "Bijvoorbeeld, Gerhard Ertl ontving in 2007 de Nobelprijs voor Scheikunde voor het verschaffen van inzichten op atomaire schaal in katalyse."

In een stuk metaal, een elektron kan niet meer aan een bepaald atoom worden toegewezen; de elektronische toestanden zijn het gevolg van de interactie van vele atomen. "Voor individuele atomen, de oude modellen zijn niet meer van toepassing", zegt Gareth Parkinson. "Individuele atomen delen geen elektronen zoals een metaal, dus de elektronenbanden, wiens energie de sleutel was tot het verklaren van katalyse, bestaan ​​in dit geval gewoon niet."

Gareth Parkinson en zijn team hebben daarom de afgelopen jaren intensief onderzoek gedaan naar de atomaire mechanismen achter deze single-atom katalyse. "In veel gevallen blijven de metalen die we beschouwen als goede katalysatoren goede katalysatoren in de vorm van individuele atomen", zegt Gareth Parkinson. "In beide gevallen zijn het dezelfde elektronen, de zogenaamde d-elektronen, die hiervoor verantwoordelijk zijn."

Aangepaste eigenschappen door op maat gemaakte oppervlakken

In enkelatoomkatalyse ontstaan ​​geheel nieuwe mogelijkheden die bij het gebruik van gewone metaaldeeltjes niet beschikbaar zijn:"Afhankelijk van het oppervlak waarop we de metaalatomen plaatsen en welke atoombindingen ze vormen, we kunnen de reactiviteit van de atomen veranderen, ", legt Parkinson uit.

In sommige gevallen, bijzonder dure metalen zoals platina zijn niet langer per se de beste keuze. "Individuele nikkelatomen zijn veelbelovend voor de oxidatie van koolmonoxide. Als we de atomaire mechanismen van katalyse met één atoom begrijpen, we hebben veel meer speelruimte om de chemische processen te beïnvloeden, ' zegt Parkinson.

Acht verschillende metalen zijn op deze manier nauwkeurig geanalyseerd aan de TU Wien - de resultaten passen perfect bij de theoretische modellen die nu zijn ontwikkeld in samenwerking met prof. Cesare Franchini van de Universiteit van Wenen.

"Katalysatoren zijn op veel gebieden erg belangrijk, vooral als het gaat om chemische reacties die een grote rol spelen bij pogingen om een ​​duurzame energie-economie te ontwikkelen, " benadrukt Gareth Parkinson. "Onze nieuwe aanpak laat zien dat het niet altijd platina hoeft te zijn." De beslissende factor is de lokale omgeving van de atomen - en als je het goed kiest, u kunt betere katalysatoren ontwikkelen en tegelijkertijd middelen en kosten besparen.