Universiteit Leiden

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

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