Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Betere katalysatoren dankzij computermodellen

De zoektocht naar betere katalysatoren voor chemische reacties wordt eenvoudiger door het werk van scheikundigen uit Leiden en Lyon. Federico Calle-Vallejo en collega's ontwikkelden een computermodel dat helpt voorspellen hoe de atomen van katalysatoren gerangschikt moeten worden voor het beste resultaat. Publicatie in Nature Chemistry.

Het raster is de metalen katalysator. Het gele atoom in figuur a is in het gladde oppervlak verzonken en heeft coördinatiegetal negen. Het gele atoom in figuur b steekt boven de oppervlakte uit een heeft coördinatiegetal zes. De rode, grijze en witte atomen ‘in de lucht’ behoren toe aan het molecuul dat aan de katalysator bindt en reageert. Bron: Nature Chemistry.

Duurzamer leven met betere katalysatoren

Voor een duurzamer leven hebben we betere katalysatoren nodig. Daarmee zouden veel industriële processen namelijk minder energie verbruiken. Daarnaast vervangen we bijvoorbeeld de verbrandingsmotoren in onze auto’s niet door brandstofcellen voordat die cellen stukken efficiënter zijn. Federico Calle-Vallejo en zijn collega’s brengen betere katalysatoren een stap dichterbij.

Chemische reacties simuleren

‘Computermodellen zijn belangrijk in de zoektocht naar die katalysatoren’, zegt Calle-Vallejo, hoofdauteur van het artikel in Nature Chemistry en onderzoeker aan het Leiden Institute of Chemistry. ‘Met computermodellen kun je chemische reacties met allerlei katalysatoren simuleren. Handig, want zo krijg je een goed beeld van de eigenschappen van die katalysatoren zonder ze allemaal in het laboratorium te testen.’

Database met eigenschappen van katalysatoren

‘Met de gegevens uit de simulaties kun je een database aanleggen met daarin alle katalysatoren en hun vermeende eigenschappen. Wanneer je later een geschikte katalysator voor een reactie zoekt, dan laat je een aantal zoekcriteria op de database los om te zien welke katalysator het meest geschikt lijkt. Door je laboratoriumexperimenten te richten op die veelbelovende katalysatoren bespaar je veel tijd en geld.’

Vorm katalysator heeft invloed op reactie

‘De bestaande computermodellen houden alleen geen rekening met de vorm die het oppervlak van de katalysator heeft’, vervolgt Calle-Vallejo. ‘Terwijl die vorm, de manier waarop de atomen in de katalysator zijn gerangschikt, van invloed is op het verloop van de reactie. Een andere vorm kan ervoor zorgen dat er meer of juist minder energie nodig is of dat er een ander eindproduct ontstaat. Wij hebben de vorm nu als extra variabele aan het computermodel toegevoegd.’

Coördinatiegetallen: hoeveelheid buren van atomen

Calle-Vallejo gebruikte zogeheten coördinatiegetallen om de vorm van de katalysator te beschrijven. Een coördinatiegetal geeft aan hoeveel directe buren een atoom heeft. Atomen die zich in een glad oppervlak bevinden zijn bijvoorbeeld omringd door meer andere atomen en hebben daarmee een hoger coördinatiegetal dan atomen die boven het oppervlak uitsteken. De verzameling coördinatiegetallen van een katalysator zegt dus iets over de structuur van zijn oppervlakte.

Effect oppervlaktestructuren op reacties berekend

‘In ons onderzoek hebben we computersimulaties losgelaten op negen metalen die als katalysator kunnen functioneren, waaronder koper, goud, nikkel, zilver en platina. Daarnaast hebben we twaalf verschillende oppervlaktestructuren ontworpen met verschillende combinaties van coördinatiegetallen. We hebben berekend wat het effect van die oppervlaktestructuren was op het verloop van de reacties en we hebben die variabele aan het computermodel toegevoegd.’

Broeikasgas omzetten in nuttige producten

Volgens Calle-Vallejo zijn de onderzoeksresultaten direct toepasbaar bij het omzetten van het broeikasgas koolstofdioxide in nuttige producten. ‘Wij weten nu dat als je koper als katalysator gebruikt, dat er bij coördinatiegetal 8 ethyleen ontstaat. Van ethyleen kun je eenvoudig plastics maken. Het coördinatiegetal 9 levert juist methaan op, een gas waar je auto’s op kunt laten rijden. Ons onderzoek helpt dus ook om meer grip te krijgen op de producten die bij reacties ontstaan.’

Artikel

Introducing structural sensitivity into adsorption–energy scaling relations by means of coordination numbersFederico Calle-Vallejo, David Loffreda, Marc T. M. Koper & Philippe Sautet