Leidse onderzoekers ontrafelen reacties met waterstof

Een brandstofcel die een elektrische bus aandrijft, de productie van veel chemicaliën in grote chemische fabrieken en de omzetting van CO₂ naar methanol met behulp van koper. Al deze processen beginnen hetzelfde: met een waterstofmolecuul dat aan een metaal bindt. Dit metaal werkt als een katalysator – het versnelt de reactie. Wetenschappers zijn het al jaren niet eens over hoe deze reactie precies verloopt. Er zijn twee modellen, die allebei aannemelijk lijken. Maar in de groep van Ludo Juurlink, universitair docent fysische chemie aan de Universiteit Leiden, hebben ze nu bewezen dat een van die modellen toch echt meer waarschijnlijk is.

Metaal vol defecten

De metaal-katalysatoren die we met waterstof laten reageren zijn geen gelijkmatige ronde bolletjes. Ze lijken meer op een minuscule voetbal. De vlakjes zitten met naden, ook wel defecten genoemd, aan elkaar vast. Deze defecten blijken erg belangrijk voor de reactiviteit van het metaal. “We weten al sinds de jaren zeventig dat een waterstofmolecuul voornamelijk reageert op de defecten in het metaal”, vertelt Juurlink. “Het is alleen niet duidelijk hoe dat molecuul op die defecten terecht komt. Daar zijn twee theorieën en bijbehorende modellen voor.”

Volgens de ene theorie reageert een waterstofmolecuul alleen als hij bij neerkomst op het metaal meteen op een defect terecht komt. Zit er op die plek geen defect, dan stuitert het molecuul bijna altijd terug. De andere theorie zegt dat het molecuul een tijdje over het oppervlak kan glijden tot het een defect tegenkomt. Juurlink vergelijkt het met een bevroren meertje met een wak, waar je een hond in ziet liggen: “Die hond kan direct van de kant in zo’n wak springen, maar hij kan ook over het ijs glijden tot hij in het wak belandt.”

Gekromd platinum

Op het eerste gezicht lijken de theorieën misschien niet heel verschillend. “De modellen bepalen hoe de reactiesnelheid afhangt van het aantal defecten”, legt Juurlink uit. “Voor het tweede model maakt het bijna niet uit hoeveel defecten je hebt, zolang het waterstofmolecuul lang genoeg blijft glijden komt hij altijd wel een defect tegen. Voor het eerste model geldt: hoe meer defecten, hoe meer reacties.”

Om de waarheid te ontrafelen gebruikten Juurlink en zijn team een gekromd stuk platinum. Door die kromming verschilt het aantal defecten op het metaal enorm. “Op de top zitten bijna geen defecten, maar één per vierkante micrometer”, vertelt de chemicus. “Aan de zijkanten zijn echter veel defecten, daar vind je op bijna iedere nanometer een defect.” Toen de onderzoekers bundels met waterstof op het gekromde stuk platinum afschoten, zagen ze meteen een groot verschil in reactiviteit: “Aan de randen reageerden ongeveer de helft van alle waterstofatomen zodra ze neerkwamen, aan de top bijna niks.”

Niet uitgesloten

De reactiesnelheid is dus sterk afhankelijk van het aantal defecten en het eerste model lijkt correct. Maar Juurlink wil het andere model niet meteen uitsluiten: “We kunnen niet zeggen dat het andere mechanisme helemaal niet gebeurt. Maar zelfs als sommige waterstofmoleculen wel over het oppervlak glijden, draagt het niet significant bij aan de reactiesnelheid.”

Dat we nu weten welk model klopt is natuurlijk fijn voor de fundamentele chemie, maar hebben we er ook echt iets aan? “We kunnen dit soort reacties nu beter modelleren en daarmee ook makkelijker verbeteren”, zegt Juurlink. “Dit kan dit echt een verschil maken, zoals bij de reactie van CO₂ met waterstof om grondstoffen voor de chemische industrie te maken.”