Onderzoek onthult waarom koolstof katalysatoren voor metalen nanodeeltjes stimuleert

Edelmetalen spelen in de chemische industrie een belangrijke rol als katalysator: met behulp van zilver, platina, palladium of andere elementen kunnen chemische reacties plaatsvinden die anders niet of slechts met een veel lagere reactiesnelheid zouden verlopen. Deze metalen worden vaak gebruikt in de vorm van kleine nanodeeltjes.

Hoe goed ze werken, hangt echter ook af van de ondergrond waarop ze worden geplaatst. Vooral nanodeeltjes op koolstofbasis lijken goed te werken, maar de reden daarvoor was lange tijd onbekend.

Aan de TU Wien hebben onderzoekers echter voor het eerst nauwkeurig de interactie tussen metalen nanodeeltjes en een koolstofsubstraat gemeten en verklaard. Zilveratomen op een koolstofdrager bleken 200 keer actiever te zijn dan atomen in een stuk puur zilver. De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal ACS-katalyse.

Uit computersimulaties blijkt dat de zone waarin het zilver in direct contact staat met de koolstof cruciaal is. Met behulp van waterstofisotopenuitwisseling is een methode ontwikkeld om katalysatordragers sneller en eenvoudiger op hun effectiviteit te testen.

Van ‘zwarte kunst’ tot wetenschap

“Lange tijd had het gebruik van koolstof als dragermateriaal voor katalyse iets bijna magisch”, zegt prof. Günther Rupprechter van het Instituut voor Materiaalchemie aan de TU Wien. De Universiteit van Cádiz (Spanje) en het Centrum voor Elektronenmicroscopie USTEM aan de TU Wien waren ook betrokken.

De koolstofbron bleek belangrijk. Voor sommige processen wordt koolstof gebruikt die wordt verkregen uit kokosnootschalen, vezels of speciaal hout. Dergelijke ‘recepten’ zijn zelfs te vinden in patentdocumenten – hoewel de oorsprong van chemische stoffen eigenlijk relatief irrelevant zou moeten zijn. “Het leek altijd een beetje op zwarte kunst”, zegt Rupprechter.

Het idee was dat verschillende productiemethoden tot minimale chemische of fysieke verschillen konden leiden: misschien rangschikt de koolstof zichzelf op verschillende manieren, afhankelijk van de productiemethode? Misschien bevat het sporen van andere chemische elementen? Of hopen functionele groepen zich op aan het oppervlak: kleine moleculaire bouwstenen die ingrijpen in de chemische reactie?

“In de chemische industrie is men er uiteraard vaak tevreden mee dat een proces werkt en betrouwbaar herhaald kan worden”, zegt Rupprechter. “Maar we wilden de oorsprong van het effect achterhalen en precies begrijpen wat hier op atomair niveau feitelijk aan de hand is.”

Precisiemetingen in een microreactor

Het team produceerde eerst monsters die uiterst nauwkeurig konden worden gekarakteriseerd: zilveren nanodeeltjes van bekende grootte op een koolstofsubstraat – en een dunne zilverfolie zonder koolstof.

Beide monsters werden vervolgens onderzocht in een chemische reactor. “Zilver kan worden gebruikt om waterstofmoleculen in individuele waterstofatomen te splitsen”, legt Thomas Wicht, de eerste auteur van het onderzoek, uit. “Deze waterstof kan dan bijvoorbeeld gebruikt worden voor de hydrogeneringsreactie van etheen.

“Op analoge wijze kun je ook ‘gewone’ waterstofmoleculen mengen met moleculen gemaakt van zwaar waterstof (deuterium). Beide moleculen worden vervolgens door het zilver gedissocieerd en opnieuw gecombineerd.”

Hoe actiever de katalysator, hoe vaker de twee waterstofisotopen worden uitgewisseld. Dit levert zeer betrouwbare informatie op over de katalysatoractiviteit.

Dit betekende dat voor het eerst het verschil in activiteit tussen zilveratomen met en zonder koolstofdrager nauwkeurig kon worden gekwantificeerd – met spectaculaire resultaten. ‘Voor elk zilveratoom zorgt de koolstofachtergrond voor een 200 keer hogere activiteit’, zegt Wicht.

“Dit is natuurlijk heel belangrijk voor industriële toepassingen. Je hebt maar tweehonderdste van de hoeveelheid dure edelmetalen nodig om dezelfde activiteit te bereiken – en dat kun je simpelweg doen door relatief goedkope koolstof toe te voegen.”

Het opwindende effect vindt plaats direct aan de grens

Alexander Genest van het team van de TU Wien voerde computersimulaties uit waarbij de activering van waterstof door zilveren nanodeeltjes op koolstof en puur zilver werd vergeleken. Dit maakte het duidelijk: het grensgebied tussen zilverdeeltjes en koolstofdrager is cruciaal. Het katalysatoreffect is het grootst precies daar waar de twee met elkaar in contact komen.

“Het gaat dus niet om de grootte van het koolstofoppervlak of om vreemde atomen of functionele groepen. Er treedt een extreem katalytisch effect op wanneer een reactantmolecuul direct op het grensvlak in contact komt met zowel een koolstof- als een zilveratoom”, zegt Genest. Hoe groter dit gebied van direct contact, hoe groter de activiteit.

Deze kennis maakt dat verschillende partijen koolstof uit verschillende bronnen nu vrij eenvoudig op hun effectiviteit kunnen worden gecontroleerd. “Nu we het werkingsmechanisme hebben begrepen, weten we precies waar we op moeten letten”, zegt Rupprechter.

“Ons experiment, waarbij we de katalysatoren blootstellen aan een mengsel van gewone en zware waterstof, is relatief eenvoudig uit te voeren en levert zeer betrouwbare informatie op of deze variant van de koolstofdrager ook geschikt is voor andere chemische reacties of niet.”

Het kunnen verklaren van processen op atomair niveau zou nu tijd en geld moeten besparen bij industrieel gebruik en de kwaliteitsborging moeten vereenvoudigen.