Omzetting van duurzame grondstoffen aan platina vertoont onverwacht gedrag
De elektrochemische reductie van een groep organische verbindingen aan platina is sterk afhankelijk van de ordening van de atomen in het platina-oppervlak. Dat publiceert Christoph Bondue, postdoc in de groep van Marc Koper, in Nature Catalysis op 4 maart. De reductie van zulke verbindingen is een belangrijk proces in de verduurzaming van chemische grondstoffen.
Duurzame grondstoffen
Veruit de meeste grondstoffen in de chemische industrie zijn fossiele grondstoffen, die daarmee dus niet duurzaam zijn. Een duurzamer alternatief zou zijn om over te stappen op biomassa-gerelateerde grondstoffen, bijvoorbeeld in de synthese van kunststoffen. In vergelijking met fossiele koolwaterstoffen bevat biomassa alleen veel meer C=O-bindingen: een koolstof- en zuurstofatoom met een dubbele binding. Zo’n verbinding met een C=O binding wordt ook wel een keton genoemd. Voordat die biomassa bruikbaar is in bestaande chemische processen, moeten eerst die C=O-bindingen gereduceerd worden.
Duurzaam reduceren
‘Als je die reductie kunt uitvoeren met behulp van duurzaam opgewekte elektriciteit, oftewel door middel van elektrochemie, zou dat helemaal mooi zijn’, aldus Marc Koper, die Hoogleraar Oppervlaktechemie is. ‘Daar hebben wij in dit onderzoek naar gekeken.’ Het onderzoek maakt deel uit van een NWO-project in het kader van ‘Nieuwe Chemische Innovaties’, dat medegefinancierd is door Shell en Akzo Nobel.
Nagellakremover
Voor dit onderzoek werkten Bondue en Koper samen met Federico Calle-Vallejo van de Universiteit van Barcelona. Calle-Vallejo ondersteunde het experimentele werk met computerberekeningen. De onderzoekers keken naar de simpelste ketonverbinding, het oplosmiddel aceton – voor de meeste mensen beter bekend als nagellakremover. Ze bekeken de mogelijkheid om de C=O-binding te reduceren met behulp van elektrochemie, met platina als elektrokatalysator. En wat bleek? De atomaire structuur van het platina-oppervlak beïnvloedde niet alleen de effectiviteit van de reactie, maar ook de uitkomst.
Oppervlakte bepaalt
Zo gebeurt er helemaal niets aan een platina-oppervlak waarin de atomen het dichtst op elkaar geplakt zijn, in de structuur van een honingraat. Aan een oppervlak waarin de platina-atomen gerangschikt zitten als een schaakbord vormt zich een product dat niet meer van de oppervlakte af wil: zo’n platina-oppervlakte schakelt zichzelf uit. De daadwerkelijke reductie van de C=O-binding vindt alleen plaats aan zogeheten defecten in de oppervlaktestructuur. Dat zijn onderbrekingen in de regelmatige honingraat- of schaakbordstructuur.
Defecten
De katalyse gebeurt op zo’n manier dat het product van de reductie afhangt van hoe de platina-atomen precies gerangschikt zitten in het defect. Hiervoor gebruiken chemici het coördinatiegetal, dat aanduidt met hoeveel andere atomen een platina-atoom verbonden is. Koper en zijn collega’s ontdekten dat aan een defect met een hoog coördinatiegetal 2-propanol ontstaat, een alcohol. Aan een defect met een lager coördinatiegetal maten de onderzoekers juist propaan – in dit molecuul is het zuurstofatoom dat oorspronkelijk in aceton zit, volledig weg gereageerd.
Unieke uitkomst
‘Het is vaker gerapporteerd dat de reactiviteit heel gevoelig is voor de structuur van het platina-oppervlak’, zegt Koper. ‘Zie bijvoorbeeld het recente onderzoek van Ludo Juurlink, die gebruikmaakte van een gekromd platina-oppervlak. Maar de waarneming dat de selectiviteit – oftewel het product dat je maakt – zo gevoelig is voor de lokale structuur is vrij uniek.’
‘Met dit inzicht kunnen we gerichter katalysatoren ontwikkelen voor de omzetting van biomassa-gerelateerde moleculen naar gewenste eindproducten’, zegt Koper. ‘Recente experimenten laten zien dat meer complexe ketonen dan aceton hetzelfde gedrag vertonen, zoals de reductie van acetofenon, een aromatische geurstof.’ Dit is een indicatie dat het onderzoek van Koper en zijn collega’s geëxtrapoleerd kan worden naar de reductie van biomassa.