Een team van schei- en natuurkundigen van de Universiteit Utrecht is erin geslaagd een nieuw type katalysator te ontwerpen. Door twee metalen te combineren met atomaire precisie creëerden ze een zeer effectief katalytisch materiaal. Het team, onder leiding van prof.dr. Petra de Jongh (scheikunde) en prof. Alfons van Blaaderen (natuurkunde), publiceren hun bevindingen in Natuurmaterialen vandaag.

Nanodeeltjes

Katalysatoren hebben een grote impact op onze samenleving. Ongeveer 90% van alle industriële chemische processen maakt gebruik van een katalysator om chemische omzettingen te versnellen. Deze katalysatoren bevatten meestal kleine metaaldeeltjes, nanodeeltjes genoemd, dat zijn er ongeveer 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. De structuur en samenstelling van deze nanodeeltjes bepalen hoe goed de katalysator is. Zelfs kleine veranderingen in deze nanodeeltjes kunnen leiden tot grote prestatieverschillen, daarom aanzienlijke economische en ecologische gevolgen voor onze samenleving.

Bimetaalkatalysatoren:wanneer twee beter is dan één

"Een belangrijke ontwikkeling bij het verbeteren van de prestaties van katalytische materialen is de verschuiving van conventionele katalysatoren gemaakt van een enkel metaal naar bimetaalkatalysatoren waarin twee verschillende metalen worden gecombineerd, " legt Petra de Jongh uit. Deze bimetaalkatalysatoren werken beter, maar ook voor nieuwe uitdagingen. "De uitdaging is dat je met conventionele technieken weinig controle hebt over de structuur van de nanodeeltjes, resulterend in deeltjes met verschillende hoeveelheden van beide metalen, en verschillende vormen en maten, waardoor de efficiëntie van deze bimetaalkatalysatoren ernstig wordt belemmerd." Het ontwerpen van bimetaalkatalysatoren met atomaire precisie was een belangrijk doel voor Jessi van der Hoeven, een doctoraat kandidaat die haar onderzoek deed in twee groepen bij het Debye Institute for Nanomaterials, gezamenlijk begeleid door De Jongh (Scheikunde) en Van Blaaderen (Natuurkunde).

De atomen rangschikken in een kern-schaalontwerp

Van der Hoeven vond een manier om twee metalen te combineren, goud en palladium, in een kern-schaal gestructureerd nanodeeltje terwijl het aantal lagen palladiumatomen wordt gecontroleerd. Deze nieuwe katalysatoren werden getest bij de selectieve hydrogenering van butadieen, een cruciaal proces bij het zuiveren van grondstoffen voor het maken van kunststoffen. De Jongh merkt op, "We waren erg enthousiast om te zien dat we met dit kern-schaalontwerp katalysatoren hebben gemaakt die tot 50 keer beter presteren dan die bestaande uit alleen goud of alleen palladium, of een willekeurige mix van de twee."

Van der Hoeven voegt toe, "Tot onze verbazing zagen we ook dat niet alleen het type atomen aan het oppervlak van het nanodeeltje de prestaties beïnvloedt, maar dat de aard van de atomen in de lagen onder het oppervlak er ook toe doet." Met de hulp van theoreticus van het Karlsruhe Institute of Technology (Duitsland) en spectroscopisten van de Sorbonne-universiteit in Parijs (Frankrijk), co-auteurs van de publicatie, zij hebben dit effect uitgebreid onderzocht.

Voldoende ruimte onderaan

Hoewel de huidige goud-palladium core-shell katalysatoren hun verwachtingen overtroffen, de auteurs zijn ervan overtuigd dat er nog veel verbetermogelijkheden zijn. "We staan ​​nog maar aan het begin, ", merkt van Blaaderen op. "Nu we weten hoe we de atomen in de nanodeeltjes moeten rangschikken, de verscheidenheid aan structuren en metaalcombinaties die we kunnen verkennen is enorm." Hun droom voor de toekomst is om katalysatormaterialen van onderaf te blijven bouwen, geïnspireerd door de natuurkundige Richard Feynman, die al voorspelde dat "er genoeg ruimte aan de onderkant is" voor de mensheid om materialen atoom voor atoom op te bouwen. Of in dit geval laag voor laag.