Gepolijst antwoord op hardnekkige katalytische vragen.

‘Vergelijk het met een hond in een wak. Is hij daar over het ijs naartoe gegleden of er rechtstreeks vanaf de kant ingesprongen?’

Vervang de hond door een waterstofmolecuul en het wak door een oneffenheid op een platina-oppervlak, en je hebt volgens de Leidse onderzoeker Ludo Juurlink de veertig jaar oude discussie die hij en promovendus Richard van Lent onlangs wisten te beëindigen in Science.

 

Kinetiek

Begin jaren zeventig is al vastgesteld dat een ‘trapje’, waar het metaal één atoomlaag dunner wordt, katalytisch vaak actiever is dan een spiegelglad kristaloppervlak. Maar de kans dat een molecuul er precies op landt, is relatief klein. Menig onderzoeker vermoedde dat moleculen wrijvingsloos over het oppervlak diffunderen totdat ze zo’n trapje tegenkomen. Anderen hielden vol dat de trapjes zo actief zijn dat ze geen diffusie nodig hebben.

‘Het heeft grote consequenties voor de kinetiek’, legt Juurlink uit. Zonder diffusie is de reactiesnelheid lineair afhankelijk van het aantal trapjes per µm2, mét diffusie is de binding aan het oppervlak een aparte evenwichtsreactie en krijg je iets dat lijkt op de Michaelis-Mentenkinetiek uit de enzymkatalyse. Alleen door het aantal trapjes gecontroleerd te laten variëren, kun je de waarheid achterhalen – en daar zag niemand kans toe.

De oplossing kwam uiteindelijk van fijnmechanicus René Koper, oprichter van Sur­face Preparation Laboratory in Zaandam. SPL, ooit voortgekomen uit het FOM-instituut Amolf, is gespecialiseerd in extreem gladde en zuivere kristaloppervlakken. ‘Ruim tien jaar geleden vertelde René me dat hij een techniek had ontwikkeld om gekromde oppervlakken te polijsten’, zegt Juurlink. ‘Eerst in de vorm van een trouwring, later als enkelgekromde kop van een cilindrisch kristal van 20 mm diameter. Het midden is zo vlak als een atomaire balzaal, maar naarmate je dichter naar de randen gaat en de kromming toeneemt, stijgt het aantal trapjes lineair.’ Hoe SPL het voor elkaar krijgt, is bedrijfsgeheim; Juurlink mag alleen zeggen dat het niet met de hand gaat.

 

De rol van diffusie is te verwaarlozen

De proefopzet, geperfectioneerd met hulp van Michael Gleeson van het Eindhovense onderzoeksinstituut Differ, houdt in dat je een zo smal mogelijke bundel moleculen over zo’n kristal laat glijden, haaks op de kromming. Met een massaspectrometer volg je wat er van het oppervlak terugkomt. In de Science-publicatie wordt een H2-bundel op platina gesplitst in twee waterstofatomen. Bij dit populaire modelsysteem blijkt het verband met het aantal trapjes een kaarsrechte lijn – de rol van diffusie is te verwaarlozen.

 

Geometrie

De geometrie van de trapjes speelt wel een rol. Platina-atomen stapelen zich hexagonaal. Met aan elkaar gelijmde pingpongballetjes demonstreert Juurlink dat dat er links van het midden per definitie anders uitziet dan aan de rechterkant. Het verschil in reactiviteit zie je in de metingen duidelijk terug.

Het is nog maar het begin. Op Juurlinks bureau liggen al krom geslepen kristallen van andere metalen klaar, en de onderzoeker verklapt dat hij ook al bezig is met andere gassen dan waterstof. Hij legt uit dat er katalytische processen zijn waarbij de trapjes en de platte vlakken allebei een belangrijke rol spelen, en waarbij de verhouding tussen die twee bepalend is voor de reactiesnelheid. ‘Uiteindelijk hoop ik aan te tonen dat dat de origine is van veel deeltjesgrootte-effecten’, besluit hij.