Leiden (NL) – Nederlandse onderzoekers zijn er als eersten in geslaagd een katalysatoroppervlak te volgen terwijl het actief is in een chemische reactie. De nieuwe metingen tonen een opmerkelijke structuurverandering van het oppervlak.


Leidse wetenschappers volgden de omzetting van koolstofmonoxide en zuurstof in koolstofdioxide met behulp van een platinakatalysator. Tot nu toe was het onmogelijk de atomaire structuur van een katalysatoroppervlak te analyseren, terwijl aan het oppervlak een reactie plaatsvond onder standaard reactieomstandigheden.
Katalysatoren versnellen vele productieprocessen in de chemische industrie. Daarnaast zijn ze bekend door hun aanwezigheid in auto's, waar ze onder andere de uitstoot van het schadelijke koolstofmonoxide verminderen door omzetting met zuurstof in koolstofdioxide. Wat zich tijdens de reactie precies afspeelt aan het oppervlak van de katalysator is ondanks vele jaren onderzoek nog altijd niet bekend.
Voor de analyse van het katalysatoroppervlak gebruiken de onderzoekers een zogenaamde Scanning Tunneling Microscope (STM). Met dit apparaat kunnen ze de afzonderlijke atomen op het katalysatoroppervlak gadeslaan. Provendus Bas Hendriksen van de afdeling Grensvlakfysica van de Universiteit Leiden ontwikkelde een speciale STM, waarmee hij in plaats van onder ultrahoog vacuüm voor het eerst ook onder standaard reactieomstandigheden kan meten. De eerste metingen van de omzetting van koolstofmonoxide aan het platinaoppervlak leverden direct een verrassing op.
Bij een hoge zuurstofdruk (meer zuurstof dan koolstofmonoxide in het reactiemengsel) verandert het bovenste laagje van het platinaoppervlak van de katalysator in platinaoxide. Dit bobbelige laagje platinaoxide maakt de katalysator driemaal zo efficiënt. Wanneer de zuurstofdruk weer afneemt (meer koolstofmonoxide in reactiemengsel), verdwijnt het laagje platinaoxide en keert het oppervlak weer terug in de oorspronkelijke gladde vorm. Hendriksen en zijn collega's namen soortgelijke processen waar bij katalysatoroppervlakken van andere elementen, zoals palladium. Ze verwachten dat deze verandering van het katalysatoroppervlak een belangrijke rol speelt in de huidige katalyseprocessen.














De afbeeldingen A, B, C en D hebben een oppervlakte van 210 x 210 nanometer. De opnamen zijn gemaakt met een STM bij verschillende zuurstofdruk. Bij toenemende zuurstofdruk oxideert de bovenste laag van het platinaoppervlak tot een ruwe laag platinaoxide (A-C). Zodra de zuurstofdruk weer afneemt keert het katalysatoroppervlak terug naar zijn oorspronkelijke vorm (D). Op de website van de afdeling Grensvlakfysica (http://www.physics.leidenuniv.nl/sections/cm/ip) is een filmpje te zien met STM-opnamen van het veranderende oppervlak.

Sabrine Caspers