Röntgenfoto van een schommelende katalysator
Drs. Richard van Rijn verhelderde met nieuwe technieken een veelgebruikte chemische reactie: het verbranden van koolmonoxide in een autokatalysator. Promotie op 8 mei.
Inmiddels hangt hij alweer jaren onder iedere benzine-auto: de katalysator, die giftig koolstofmonoxide in de uitlaatgassen omzet in kooldioxide (en daarnaast ook nog benzinemoleculen en stikstofoxiden onschadelijk maakt). Toch is niet duidelijk hoe dat nu precies werkt, zegt Richard van Rijn (1983), die op dinsdag 8 mei promoveert op onderzoek naar deze chemische reactie met röntgenstraling. Wel in grote lijnen: in een katalysator stromen de uitlaatgassen langs deeltjes van het edelmetaal palladium. Op het palladium-oppervlak komen de koolmonoxide-moleculen en zuurstofatomen elkaar tegen, zodat ze een chemische reactie met elkaar aangaan.
Trial and Error
In detail is nog veel onduidelijk: de precieze invloed van de temperatuur, druk, en bijvoorbeeld de ruwheid van het metaaloppervlak zijn nog lang niet te voorspellen. Trial and error spelen de hoofdrol in het ontwikkelen van katalysatoren voor andere chemische processen. Fundamenteel onderzoek was tot voor kort beperkt tot lage gasdrukken, omdat de gebruikte meettechnieken slecht werken bij realistischere, hogere gasdrukken. De ‘drukkloof’, noemt Van Rijn dat verschil. Hij wist die kloof te overbruggen met een nieuw type proefreactor, geschikt voor realistische gasdrukken, maar ook voor metingen aan het katalysatoroppervlak met oppervlakte-röntgendiffractie.
Slim ontwerpen
Voor die meettechniek zijn de krachtige röntgenstralingsbundels nodig van het het European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, waar Van Rijn drieëneenhalf jaar verbleef. ‘Er is bij zo’n röntgenbundel maar heel weinig ruimte voor een reactor, dus was het vooral een kwestie van slim ontwerpen.’ Maar het resultaat was ernaar: de metingen boden een verrassend inzicht in de raadselachtige schommelingen die de palladium-katalysator soms laat zien. De snelheid waarmee het koolmonoxide wordt omgezet wisselt om de honderd seconden van hoog naar laag, en terug.
Schommelingen
Van Rijn liet zien waarom: de palladium-katalysator begint als een puur metaaloppervlak, en wordt tijdens de reactie gestaag bedekt met zuurstofatomen, ofwel een palladium-oxide. Van Rijn: ‘Iedereen in het vakgebied “weet” dat een oxide slechter katalyseert dan het metaal, maar uit onze proeven blijkt dat het juist beter gaat.’ De röntgenmetingen wezen ook uit dat het oxidelaagje geleidelijk dikker en ruwer werd. Tot het chemisch instabiel werd, en binnen paar seconden transformeerde tot puur palladium-metaal. Dat is dan eerst nog erg ruw, maar de atomen verspreiden zich gemakkelijk, zodat het oppervlak nu juist geleidelijk gladder wordt. Totdat de hele cyclus na honderd seconden opnieuw begint.
Biefstukje
Deze stap in fundamenteel begrip werd gepubliceerd in Nature Chemistry. ‘Ik denk dat de op maat ontworpen katalysator steeds dichterbij komt’, zegt Van Rijn. Een spinoff-bedrijf van de onderzoeksgroep verkoopt zijn reactor inmiddels ook aan andere onderzoekers. Toch zullen trial and error de katalysator-praktijk nog wel even domineren, en niet de chemische theorie. Van Rijn: ‘Nu is dat toch nog een beetje alsof een chemicus een kok zou vertellen hoe hij zijn biefstukje moet bakken.’
Promotie
Drs. Richard van Rijn
Titel:A Structural View of Pd Model Catalysts; High-Pressure Surface X-Ray Diffraction
Datum: 8 mei 2012, 13.45 uur
Locatie: Academiegebouw, Rapenburg 73
Promotor: Prof.dr. Joost Frenken
(3 mei 2012/Bruno van Wayenburg)