Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Platina maakt nitriet onschadelijk

Voor het eerst is een katalysator gevonden die bij kamertemperatuur nitriet afbreekt tot zuiver stikstofgas. Promovendus Matteo Duca van het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek ontdekte dit effect op een speciaal soort oppervlak van platina. Nanodeeltjes platina kunnen misschien massaproductie mogelijk maken.

Matteo Duca

Afbraak nitriet en nitraat

Nitriet (NO2-) is een bekende afvalstof in mest en rioolwater. Dieren (en mensen) produceren in hun lichaam nitriet uit nitraat (NO3-) en scheiden het uit via de urine. In de natuur breken bacterieën nitriet en nitraat af tot stikstof (N2), het onschadelijke gas waar lucht voor 80% uit bestaat. Dit is een gecompliceerd proces, waar een aaneenschakeling van enzymen aan te pas komt. Rioolwaterzuiveringsinstallaties gebruiken bassins met bacterieën om nitraat en nitriet af te breken.

Platina werkt als katalysator

Toch is men ook nog op zoek naar een niet-biologische katalysator die efficient en zonder schadelijke bijproducten nitriet afbreekt. Matteo Duca, promovendus in de groep van Marc Koper, hoogleraar Katalyse en Oppervlaktechemie, ontdekte dat een speciaal soort platina deze taak aankan. Hij publiceerde deze methode in het gezaghebbende vakblad Journal of the American Chemical Society. Platina is zeker geen onbekende: het zit onder meer in de driewegkatalysator in de uitlaat van auto's, waar het stikstofoxide (NO), een molecuul vergelijkbaar met nitriet, afbreekt tot stikstof. Maar dat werkt alleen bij honderden graden celsius. Platina werkt als katalysator, omdat het gretig gasmoleculen op zijn oppervlak adsorbeert. Samengepakt op dat oppervlak, gaan gasmoleculen sneller reacties aan dan in de gasfase.    

Beheersen van het elektrisch spanningverschil

Om in water opgelost nitriet af te breken, is een elektrisch spanningverschil (potentiaalverschil) nodig tussen vloeistof en een platina elektrode. Dat kost wat energie, maar is ook een voordeel. Duca: 'Door het potentiaalverschil te beheersen, zorg je er juist voor dat nitriet alleen wordt omgezet in stikstofgas. Andere processen kunnen ook nitriet afbreken, maar daarbij komt tevens ammonia (NH3) vrij, en de limiet voor ammonia in oppervlaktewater is nog lager dan die voor nitriet.'

Platina nanodeeltjes goedkoper en efficienter

De katalyse werkt alleen op een zogeheten (100)- oppervlak van monokristallijn platina. Platina-atomen zitten in metaal in een kristalrooster, een stapeling van identieke eenheidsblokjes. In verschillende zijvlakken van het eenheidsblokje liggen de platina-atomen verschillend ten opzichte van elkaar gerangschikt. In een monokristal – een perfect kristal waarin alle blokjes dezelfde oriëntatie hebben – zal daarom elk buitenoppervlak als geheel een verschillende rangschikking van atomen vertonen. Dit kan een ingrijpend effect hebben op de adsorptie en dus de chemische reacties op het oppervlak. De richting van een vlak door een driedimensionaal kristal laat zich vastleggen met drie cijfers, in dit geval dus (100). In zo’n (100)-oppervlak zitten de platina-atomen gerangschikt als velden op een schaakbord, dwz met een vierkantssymmetrie. Duca: 'Dit soort platina elektrodes zijn te duur voor massa-productie, maar we hebben een geschikt reactiekanaal gevonden. We denken nu aan het maken van kubusvormige platina nanodeeltjes. Die kubusjes zijn aan alle kanten gelijk aan de “schaakbord elektrode” die we nu gebruiken, maar door hun kleine afmetingen maken ze veel efficienter gebruik van het dure platina en zijn ze dus veel goedkoper.'  

(15 december 2010/Arnout Jaspers)