Een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft een fundamentele relatie ontdekt tussen de grootte, activiteit en elektronische eigenschappen van heterogene katalysatoren. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, bieden nieuwe inzichten in het ontwerp van efficiëntere en selectievere katalysatoren.

Heterogene katalysatoren zijn materialen die chemische reacties vergemakkelijken door een oppervlak te bieden waarop reactanten kunnen adsorberen en reageren. De grootte en vorm van de katalysatordeeltjes spelen een cruciale rol in hun activiteit en selectiviteit, maar de onderliggende mechanismen achter deze effecten zijn nog niet volledig begrepen.

In deze studie gebruikten de onderzoekers een combinatie van experimentele en theoretische technieken om de structuur-eigenschap-prestatierelaties van heterogene katalysatoren te onderzoeken. Ze synthetiseerden een reeks palladium-nanodeeltjes met verschillende afmetingen en bestudeerden hun katalytische activiteit voor de hydrogenering van ethyleen, een reactie die belangrijk is bij de productie van brandstoffen en chemicaliën.

Uit de resultaten bleek dat de activiteit van de palladium-nanodeeltjes toenam met afnemende deeltjesgrootte. Deze trend werd toegeschreven aan het grotere oppervlak van kleinere deeltjes, die actievere plaatsen voor de reactie opleverden. De onderzoekers ontdekten echter ook dat de elektronische eigenschappen van de nanodeeltjes veranderden naarmate de deeltjesgrootte kleiner werd, wat de selectiviteit van de reactie beïnvloedde.

Concreet observeerden de onderzoekers een afname in het d-bandcentrum van de palladium-nanodeeltjes met afnemende deeltjesgrootte. Deze verandering in de elektronische structuur resulteerde in een verschuiving in de reactieselectiviteit van het gewenste product, ethaan, naar het ongewenste product, methaan.

De bevindingen van deze studie bieden een dieper inzicht in de relatie tussen de grootte, activiteit en elektronische eigenschappen van heterogene katalysatoren. Deze kennis kan worden gebruikt als leidraad voor het rationele ontwerp van efficiëntere en selectievere katalysatoren voor een breed scala aan industriële processen.

Naast de fundamentele inzichten die uit deze studie zijn verkregen, hebben de onderzoekers ook de praktische implicaties van hun bevindingen aangetoond door een nieuwe palladiumkatalysator te ontwerpen met verbeterde activiteit en selectiviteit voor de hydrogenering van ethyleen. Deze katalysator zou potentieel kunnen worden gebruikt om de efficiëntie te verbeteren en de kosten van de productie van brandstoffen en chemicaliën te verlagen.

Over het geheel genomen vertegenwoordigt deze studie een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van katalyse en opent het nieuwe wegen voor de ontwikkeling van duurzamere en efficiëntere katalytische processen.