Opnames met een rastertunnelmicroscoop: eenzame platina-atomen (Pt) in een koperveld (Cu). De zilveren bolletjes zijn platina-atomen (afb: Tufts-universiteit)
Het is natuurlijk een overdrijving, maar het persbericht van de Amerikaanse Tufts-universiteit heeft het er over dat een enkel atoom platina van kopereen katalysator maakt (in de wandeling ‘kat’ genoemd) die de chemie een stukje ‘groener’ zou kunnen maken. De ‘kat’ zou beter presteren dan het dure platina, maar ook beter dan koper.
De Pt/Cu-kat kan toe met zeer lage aantallen platina-atomen om schonere en goedkopere chemische reacties mogelijk te maken. In het onderhavige geval ging het om de hydrogenering van 1,3-butadieen. Platina wordt veel als katalysator gebruikt onder, veel, meer in brandstofcellen, afgasfilters en in de chemische industrie, omdat het een opmerkelijk katalyserend effect heeft bij een groot aantal reacties. Probleem is dat platina vrij kostbaar is, maar uiteraard ook dat het niet onuitputtelijk is. Verder heeft platina de nare eigenschap zich te verbinden met koolstof, dat de kat onwerkzaam maakt (vergiftigt). Onderzoekers van de Tufts-universiteit ontdekten dat hier en daar een atoom op een koperondergrond een erg effectieve kat oplevert voor de hydrogenering van butadieen. Butadieen is een veel gebruikt (tussen)product, dat ontstaat bij het kraakproces. Het is een ‘verontreiniging’ in de propeenstroom uit dat kraakproces en wordt daar uit verwijderd door hydrogenering (die butaan oplevert) om propeen verder de weg naar de kunststof polypropeen te laten afleggen. Voor die hydrogenering wordt nu een kat van palladium en zilver gebruikt.
Koper is een relatief goedkoop materiaal, maar als kat een stuk minder dan platina. De Tufts-onderzoekers zochten een manier om de prestatie van koper te verbeteren. Onderzoekers rond Charles Sykes keken eerst nauwkeurig naar het oppervlak van koper en van platina. Sykes: “Heel opmerkelijk is dat platina ‘oplost’ in koper net zoals suiker in hete koffie, atoom voor atoom. We noemen dat soort materiaal eenatoomlegeringen.” Met behulp van de rastertunnelmicroscoop konden de onderzoekers de wisselwerking tussen waterstof en dat ene platina-atoom in beeld brengen. Sykes: “Zelfs bij een temperatuur van maar 300°F (150°C. Sykes is gek; as) kan platina waterstof splitsen in twee atomen.” Hij stak bij collega’s zijn licht op over welke hydrogeneringsreactie in de chemische industrie het belangrijkst was en kreeg ten antwoord dat dat de hydrogenering van butadieen was.
In het lab deed de Cu/Pt-kat het prima en collega-onderzoekster Maria Flytzani-Stephanopoulos tilde de studie naar een hoger niveau door kleine hoeveelheden industriële kat te maken: nanodeeltjes van geplatineerd koper op een aluminiumoxide-onderlaag. Die katkorrels kregen vervolgens de ‘industriële vuurdoop’. Flytzani-Stephanopoulos: “Gelukkig bleek de katalysator goed te werken en presteerde dagen achtereen op hetzelfde niveau. Eerder hadden we laten zien dat palladium dat ook doet in een gesloten reactor systeem. Met platina demonstreerden we dat dat ook werkt onder industriële omstandigheden in een continuproces. We denken dat dit ook werkt voor andere edelmetalen die in kleine hoeveelheden zijn toegevoegd aan koper.” Grappig is dat het proces minder efficiënt wordt als er meer platina aan het koper wordt toegevoegd. Kennelijk werken ‘klonteringen’ van platina-atomen minder goed dan losse, enkele atomen in een koperzee. “In dit geval is minder meer”, zegt de onderzoekster. Omdat platina, zoals gezegd, breed wordt ingezet als kat, zouden deze eenattomlegeringen ook goede diensten kunnen bewijzen bij andere chemische reacties, waarmee de chemische industrie een stukje minder milieubelastend wordt.
“Normaal”, zegt de onderzoekster, “is de katontwikkeling een proces van gissen en missen. Bij dit onderzoek hebben we een fundamentele benadering gekozen en proberen te begrijpen wat er op atoomschaal gebeurt en die kennis gebruikt om een katalysator te ontwikkelen. Nu kunnen we die eenatoomlegeringen uitproberen op allerlei oxide- of koolstofsubstraten. Dat zou ons veel leren over de criteria voor het ontwerpen van industriële katalysatoren.”
Bron: EurekAlert