Inzicht in katalyse dankzij laseronderzoek: hoe metaaldeeltjes CO2 verzwakken

Katalyse is een enorm belangrijk onderdeel van chemische processen. Het komt voor in de natuur en in ons lichaam, maar de chemische industrie gebruikt het ook al een hele tijd. Het is bijvoorbeeld nodig voor de verbranding van aardgas, of het maken van kunstmest. Of denk ook aan de katalysator in een auto, waarin een reactie plaatsvindt om de deeltjes die worden uitgestoten minder schadelijk te maken.

Reacties tussen simpele moleculen kunnen ook zonder katalyse plaatsvinden, maar in veel gevallen – zeker bij complexere moleculen – is katalyse nodig om het voor elkaar te krijgen. Ook kan katalyse een bestaande reactie efficiënter maken. Je hebt dan dankzij de katalyse minder energie nodig om alles in gang te zetten. Daar zit ook meteen de uitdaging voor veel onderzoekers op het moment: hoe kunnen we een efficiënter katalyseproces maken, duurzamer en sneller dan het was.

Hoe katalyse precies werkt

Om twee verschillende moleculen met elkaar te laten reageren en zo een nieuwe verbinding te krijgen, kies je een katalysator – veelal een metaaldeeltje (denk bijvoorbeeld aan een klein stukje rhodium, of goud) – waarop de moleculen die met elkaar moeten reageren kunnen ‘landen’ (adsorberen). De interactie tussen katalysator en de moleculen zorgt ervoor dat de verbindingen binnen de moleculen, dus hoe de atomen aan elkaar vastzitten, verzwakken of zelfs breken. Vervolgens zoeken de verzwakte of gebroken moleculen elkaar op, om zo een nieuw molecuul te vormen; het reactieproduct. Dan heb je nog wel een beetje energie nodig om vervolgens dat reactieproduct los te krijgen van de katalysator. Daarna kun je de katalysator gewoon weer hergebruiken om dit proces vele malen te herhalen.

Als je dit proces gebruikt om een nieuw product te maken, en je dat product in grote aantallen wil gaan produceren, wil je natuurlijk dat er elke keer precies hetzelfde uit de reactie komt. Anders is je product niet betrouwbaar, en is het proces ook niet rendabel. Daarom zoeken wetenschappers niet alleen naar steeds beter werkende katalysatoren (het liefst ook minder zeldzame en niet te dure materialen), maar willen ze ook het proces veel beter begrijpen dan we nu doen.

Beweging als blauwdruk

HFML-FELIX onderzoeker Joost Bakker en zijn collega’s kijken momenteel naar één specifieke reactie. Namelijk CO2 (koolstofdioxide) met H2 (waterstofgas). ‘CO2 heeft een hele sterke verbinding, die je moeilijk kapot kunt krijgen’, vertelt Bakker. ‘Wil je dit molecuul laten reageren, dan heb je echt een katalysator nodig. Wij willen allereerst snappen hoe CO2 dan precies met zo’n katalysator reageert. Dus de eerste stap van het proces, want zelfs die begrijpen we nog helemaal niet goed.’

Dan ga je dus kijken naar: hoe verzwakken de verbindingen in dat CO2-molecuul precies, en waardoor wordt dit in gang gezet? ‘Het zou bijvoorbeeld kunnen afhangen van de structuur en vorm van de katalysator’, zegt Bakker. ‘Of van hoe de lading in het materiaal verdeeld is. Om hierachter te komen laten we de reactie tussen een CO2 molecuul en een modelkatalysator – een deeltje van een paar rhodiumatomen – plaatsvinden. Vervolgens kijken we naar de vibraties van het molecuul. Want elke molecuul kan, afhankelijk van hoe het in elkaar zit, bepaalde soorten bewegingen maken. CO2 heeft bijvoorbeeld drie van dit soort ‘eigentrillingen’. Het laten reageren van de katalysator en CO2 zorgt ervoor dat die eigentrillingen zouden kunnen veranderen. Bijvoorbeeld wanneer het CO2 molecuul door het proces breekt. Nu kunnen we die trillingen in gang zetten met het type infraroodlaser dat we hier in het lab hebben. Door de frequentie steeds aan te passen, tasten we af of er trillingen zijn. Als we dit doen voor CO2 op het rhodiumdeeltje, kunnen we dus achterhalen welke trillingen er zijn, en zo herleiden welke structuur het CO2 molecuul op het metaaldeeltje heeft aangenomen. En dan vinden we ofwel dat het molecuul nog intact is, dat het intact maar sterk verzwakt is, of dat het molecuul uit elkaar gevallen is.’

De best mogelijke kandidaat

In combinatie met berekeningen laat dit de onderzoekers zien hoe de constructie in elkaar zit na de reactie. Daarmee heb je dus de eerste stap van het proces in kaart gebracht. ‘Voor CO2 hebben we dit nu gedaan voor het metaal rhodium, een bekend katalysatormateriaal. We vinden dat hele kleine deeltjes daarvan het CO2 spontaan uit elkaar doen laten vallen, en dat de wat grotere deeltjes het CO2 intact laten, maar het wel verzwakken. Daarmee hebben we dus een soort handvat om controle te krijgen op de reactie: de grootte van het deeltje bepaalt de activiteit. Eén van de vervolgstappen zou kunnen zijn: de reactie met H2 bestuderen. Het kan heel goed zijn dat voor dat onderdeel van het proces een ander type metaal effectiever is, of hetzelfde metaal, maar dan van een andere grootte. Uiteindelijk kun je dit gaan herhalen met katalysatoren in allerlei vormen, van allerlei groottes, en van allerlei metalen. En dan kun je de beste katalysator eruit pikken.’

Dan is er nóg een uitdaging: het gecontroleerd produceren van die winnende katalysator. ‘Dat is niet makkelijk, met materiaal van soms maar een paar atomen dik. Het allermooiste zou het natuurlijk zijn als we katalysatoren konden printen met een 3D-printer, atoom voor atoom, super gecontroleerd, van verschillende materialen. Dat kan nu nog niet, maar dat zou een gigantische vooruitgang zijn.’

Voor nu concentreren Bakker en zijn collega’s zich op het zo goed mogelijk begrijpen van deze processen, want ook daar valt nog veel winst te behalen.

Publicatie:

In Journal of the American Chemical Society: Size-Selective CO2 Activation at Rhodium Cluster Anions

Volledige auteurslijst: C. T. Haakansson, D. J. Vesty, P. T. Rubli, P. D. Watson, E. A. Jones, J. P. Justen, A. Fielicke, J. M. Bakker, and S. R. Mackenzie