Bepaalt orde of wanorde de katalyse?

Bijna geen enkel chemisch proces komt tegenwoordig nog zonder katalyse uit. De overgrote meerderheid van alle fabricage- en omzettingsprocessen in de chemische industrie verlopen katalytisch. Bij de katalysator gaat het om een stof waarvan de betrokkenheid de chemische reactie überhaupt mogelijk maakt of economisch rendabel maakt. Een belangrijk katalytisch proces is de omzetting van luchtzuurstof naar water. Deze reactie wordt onder andere toegepast in de sensoriek of ook in de corrosietechnologie. Vooral voor de technologie van chemische energieopslag en energieomzetting in batterijen en brandstofcellen heeft het grote betekenis. De krachtigste katalysatoren voor deze reactie bestaan uit legeringen van het dure en zeldzame element platina. Al jaren is bekend dat platinalegeringen, waarvan de oppervlakken een exact gedefinieerde structurele orde van de atomen behouden, zeer actieve katalysatoren vormen.

„Tot verbazing van de wetenschap tonen recent onderzoek echter ook aan dat volledig ongestructureerde varianten van dergelijke platinalegeringen, ontstaan door slijtage en veroudering van de katalysatoren, evenzo hoge katalytische activiteit vertonen“, legt Prof. Dr. Peter Strasser uit, hoofd van de vakgroep „Elektrochemische katalyse en materialen“ aan de TU Berlijn. „Deze twee waarnemingen leken echter onverenigbaar.“

Het team van de TU Berlijn onder leiding van Peter Strasser is er nu in nauwe samenwerking met Franse collega’s van de Universiteit Grenoble Alpes en het daar gevestigde Centre national de la recherche scientifique (CNRS), met Zwitserse collega’s van de ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut, evenals met Duitse collega’s van de TU Dresden, in geslaagd een uitgebreidere beschrijving te ontwikkelen van deze twee typen katalysatoren en hun reactie, waarmee de tegenstrijdigheden kunnen worden opgehelderd.

Een belangrijke rol speelt daarbij de vervorming van de oppervlakte-structuur (Distortion), een structurele parameter die de wanorde in de ordening van de individuele atomen op het platinaoppervlak beschrijft en beide typen katalysatoren omvat. De strikt uniforme ordening van de metalen atomen biedt de beste voorwaarden voor hoge katalytische reactiviteit bij deze reactie. Structurele wanorde biedt echter de breedste atomaire diversiteit op het oppervlak en daarmee veel verschillende atomaire ordeningen, waarvan een klein aantal eveneens zeer actief kan zijn. Dit leidt in totaal ook tot hoge katalytische reactiviteit. Een treffend vergelijk zou zijn met een worp op een basketbalring: een professionele speler krijgt één poging en werpt de bal door de ring. Dit zou overeenkomen met een klein aantal gedefinieerde patronen van de atomen op het katalysatoroppervlak. In vergelijking daarmee heeft een hele klas, waarin alle kinderen gelijktijdig op de ringen werpen, statistisch een vergelijkbaar hoge kans om minstens één keer te scoren als de professional met één worp. Dit zou overeenkomen met een groot aantal verschillende patronen van de atomen op het katalysatoroppervlak.

De in Nature Materials gepubliceerde experimenten bewijzen: Een vergroting van de oppervlaktevervorming is de sleutel tot het begrijpen van de verouderingsprocessen van aanvankelijk goed geordende, actieve katalysatoren, waardoor ze veranderen in wanordelijke, maar nog steeds actieve katalysatoren.

Tot slot maakt de uniforme beschrijving van de twee typen katalysatoren niet alleen een dieper begrip van de werking van bekende katalysatoren mogelijk, maar biedt het ook de mogelijkheid om nieuwe, nog krachtigere katalysatoren voor toekomstige energieopslag- en omzettingstechnologieën te voorspellen.

Raphaël Chattot, Olivier Le Bacq, Vera Beermann, Stefanie Kühl, Juan Herranz, Sebastian Henning, Laura Kühn, Tristan Asset, Laure Gütaz, Gilles Renou, Jakub Drnec, Pierre Bordet, Alain Pasturel, Alexander Eychmüller, Thomas J. Schmidt, Peter Strasser, Laetitia Dubau Frédéric Maillard
Surface distortion as a unifying concept and descriptor in oxygen reduction reaction electrocatalysis
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2