Universiteit Leiden

nl en

Katalysatoren leveren eigen zuurstof voor reacties

Een katalysator: normaal gesproken een stof die een chemische reactie versnelt, zonder daaraan zelf moleculen toe te voegen. Wetenschappers van de groepen van Prof. Marc Koper van de Universiteit Leiden en Prof. Yang Shao-Horn van MIT hebben nu ontdekt dat bij specifieke reacties waarvoor zuurstof nodig is, katalysatoren genaamd metaaloxides zelf de zuurstof aanleveren. Publicatie 9 januari in Nature Chemistry.

Reden voor effectiviteit

Chemische reacties waarbij moleculair zuurstof O2 vrijkomt in de aanwezigheid van een katalysator zijn een cruciaal onderdeel van chemische energieopslag, een opslagmethode interessant voor duurzame energie. Hiervoor zijn voornamelijk metaaloxides geschikte katalysatoren. Het nieuwe onderzoek laat zien dat zuurstofatomen die normaal vastzitten in het kristalrooster van de katalysator, bij dit type katalysator vrijkomen voor de reactie. ‘Hoewel het al bekend was dat sommige metaaloxides dit gedrag vertonen, legt onze studie voor het eerst een relatie tussen de chemische eigenschappen van het metaaloxide en dit speciale gedrag’, zegt Hoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie Marc Koper, één van de Leidse coauteurs van het artikel. Deze kennis kan onderzoekers helpen om metaaloxides effectievere katalysatoren te maken voor chemische energieopslag.  

Actief versus niet actief

Een katalysator heeft een actief gedeelte: het oppervlak van de katalysator waar de chemische reactie plaatsvindt. De algemene consensus onder wetenschappers was dat in zuurstofopwekkende reacties het resterende gedeelte van de katalysator geen rol speelt. Een internationaal team met onder andere voormalig promovendus Oscar Diaz-Morales en Marc Koper bedacht een manier om een eventuele zuurstofbijdrage van de katalysator vast te leggen. 

Slimme methode

Diaz-Morales gebruikte ‘gelabeld’ zuurstof-18, een zwaardere variant van zuurstof die nauwelijks in de natuur voorkomt. De onderzoekers maakten de katalysator eerst met vrijwel alleen maar zuurstof-18, en voerden de reactie vervolgens uit in ‘normaal’ zuurstof-16-houdend water. Op die manier konden ze bepalen onder welke omstandigheden het metaaloxide zelf de zuurstof voor het maken van O2 levert.

Nieuwe mechanismes nodig

Een onverwachte ontdekking was dat zowel het variëren van de chemische samenstelling van het metaaloxide als van de zuurgraad een grote impact heeft op de snelheid van de reactie en de manier waarop de reactie plaatsvindt. De effecten van de zuurgraad en het leveren van zuurstof door de katalysator ‘kunnen niet verklaard worden met de traditionele mechanismes’, aldus Diaz-Morales. ‘We hebben nieuw mechanismes voorgesteld om deze effecten te verklaren, waarvoor verder experimenteel en computationeel onderzoek nodig is.’

Publicatie in Nature Chemistry