Inzoomen op atomen in een katalysator
Als je in een industrieel proces de reactietemperatuur van een
katalysator met één graad omlaag brengt, kan dat miljoenen schelen in
de energierekening, en de uitstoot van broeikasgassen flink omlaag
brengen. Promovendus Kees Herschleb bestudeerde de atomen van
katalysatoren onder real life-omstandigheden. De industrie kijkt mee.
Chemisch uitontwikkeld
Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf
verbruikt te worden. Meestal is het een vaste stof, die aan zijn
oppervlak de reactie tussen twee gassen katalyseert. Zo laat platina
schadelijke verbrandingsgassen in de auto-uitlaat snel uiteenvallen tot
relatief onschadelijke.
Herbschleb: 'Katalysatoren zijn chemisch vrijwel uitontwikkeld, vooral
met trial and error: een beetje meer van deze stof, een beetje meer van
dat...'
Realistische omstandigheden
Met Herbschlebs reactor-STM kan voor het eerst op atomair niveau én
onder realistische omstandigheden de werking van zulke katalysators
bestudeerd worden. Een gewone STM (scanning tunneling microscoop) scant
ook oppervlakken, maar meestal alleen van samples in een ultra-hoog
vacuum (UHV). Maar dan wordt er op het oppervlak juist niets
gekatalyseerd.
Bobbeltje
Een STM tast met een minuscuul naaldje het oppervlak van een sample af.
Tussen de punt van de naald en de sample zit een speling van een paar
nanometer, waar elektrische stroom doorheen sijpelt ("tunnelt"). Deze
stroom hangt sterk af van de afstand tussen tip en sample, zodat de STM
elk bobbeltje opmerkt, zelfs ter grootte van één atoom.
Reactorvaatje
Herbschleb bouwde rond naald en sample een minuscuul reactorvaatje waar
gassen in- en uitstromen, die op het oppervlak katalytisch met elkaar
reageren. De rest van de STM bevindt zich als vanouds in een vacuum.
De effectiviteit van de katalysator, zo is de gedachte, zal afhangen
van de precieze rangschikking van de atomen aan het oppervlak terwijl
de gasmoleculen er met elkaar reageren. Deze is hopelijk te sturen door
parameters als de gas-druk en -temperatuur, maar wellicht ook door
nanostructuren op het oppervlak aan te brengen.
Groep Frenken
Het concept van de reactor-STM is in 1998 bedacht binnen de groep
Oppervlakte Fysica van Joost Frenken, die al menige prijs en subsidie
in de wacht sleepte. Maar al lijkt het concept simpel, het is een
heksentoer om het echt te bouwen. Herbschleb: 'Het duurde drie jaar
voordat dit apparaat de benodigde robuustheid had, zodat hij niet na
elke meting weer een tijd stil lag.'
Robuustheid telt, omdat het de bedoeling is dat de industrie hiermee
katalysators gaat optimaliseren. Herbschlebs onderzoek is dan ook
ingebed in het project NIMIC, Nano-Imaging under Industrial Conditions,
mede betaald door het bedrijfsleven.
Â
Â
Â
Zie ook het Leidse onderzoeksgebied
Fundamentals of science
We study the largest numbers, the smallest particles, the youngest
planets and the oldest galaxies.
Â
Â
Industrie kijkt mee
Herbschleb: 'Stel, je kunt in een industrieel proces de
reactietemperatuur met één graad omlaag brengen. Dat kan miljoenen
euro's schelen in de energierekening, en zal de uitstoot van
broeikasgassen flink omlaag brengen. We hebben nu drie experimenten op
dit gebied lopen en bij twee ervan kijken grote bedrijven zeer
geïnteresseerd over onze schouder mee.'
Kees Herbschleb promoveerde op 10 mei op zijn proefschrift
Reactor-STM: Imaging Catalysts under Realistic Conditions.
(Arnout Jaspers - 17 mei 2011)
Schema van de reactor-STM. Links komen gas A en B binnen, ze reageren
op het sample tot AB, dat rechts de reactor-STM verlaat. De ruimte
tussen de naaldpunt en het sample is in feite slechts enkele atomen
breed.
Schema van de reactor-STM. Links komen gas A en B binnen, ze reageren
op het sample tot AB, dat rechts de reactor-STM verlaat. De ruimte
tussen de naaldpunt en het sample is in feite slechts enkele atomen
breed.
Zie ook
* Joost Frenken met ERC Grant op weg naar superglibberigheid
* Project Nano-Imaging under Industrial Conditions
* Natuurkunde studeren in Leiden, bachelor en master
Universiteit Leiden