Schonere lucht met koude katalysator

De zogeheten driewegkatalysator in de uitlaat van een auto bestaat uit dure materialen en werkt pas goed als de uitlaatgassen enkele honderden graden heet zijn. Het gevolg is dat als je je auto start, of als je in een hybride auto rijdt waarin de benzinemotor en de elektromotor elkaar afwisselen, de gassen die je uitlaat verlaten nog steeds het giftige koolstofmonoxide bevatten. In een nieuw Science-artikel laten wetenschappers onder leiding van hoogleraar Emiel Hensen nu zien dat door het dragermateriaal van de katalysator aan te passen, het mogelijk is om al rond kamertemperatuur giftig koolstofmonoxide bijna geheel om te zetten in koolzuurgas.

Autokatalysatoren worden gemaakt door edelmetalen zoals platina, palladium en rodium in de vorm van nanodeeltjes van enkele nanometers af te zetten op een ondergrond van het materiaal ceriumoxide, ofwel ceria. De edelmetalen zijn echter zeldzaam en duur. Wereldwijd werken onderzoekers dan ook aan methoden om met minder materiaalgebruik tot eenzelfde of zelfs een betere katalysatoractiviteit te komen. Zo bewees de groep van Hensen in eerder onderzoek al dat door het edelmetaal in de vorm van losse atomen te verspreiden op de ceria-drager er niet alleen minder van het dure metaal nodig is, maar dat de katalysator onder bepaalde omstandigheden ook beter werkt.

Nieuwe blik

In het promotieonderzoek van Valery Muravev verlegden de onderzoekers hun blik nu van de metaaldeeltjes naar het dragermateriaal eronder om de werking van de katalysator nog verder te verbeteren. Ze maakten het ceria in verschillende kristalgroottes en zetten daar ook meteen de edelmetalen op af als losse atomen. Vervolgens bestudeerden ze hoe goed deze combinaties van materialen een extra zuurstofatoom aan koolstofmonoxide wisten te binden.

Kleine ceriakristallen van vier nanometer groot bleken de werking van het edelmetaal palladium opvallend te kunnen verbeteren bij een koude start als er veel koolstofmonoxide aanwezig is. De meest waarschijnlijke verklaring hiervoor is dat de zuurstofatomen actiever zijn naarmate de ceriakristallen kleiner worden. Onder meer reguliere omstandigheden bleken ceriakristallen van acht nanometer optimaal te zijn voor het bereiken van een hoge activiteit bij temperaturen onder de honderd graden Celsius.

Breder belang

Dit onderzoek laat voor het eerst zien dat het loont om bij het ontwikkelen van katalysatoren niet alleen te kijken naar de edelmetalen die het werk moeten doen: het variëren van de grootte van de dragerdeeltjes waarop de werkzame stoffen zijn aangebracht, biedt een interessante nieuwe mogelijkheid om katalysatoren en daarmee de efficiëntie en specificiteit van chemische reacties te verbeteren. Dit is bijvoorbeeld ook van belang voor het ontwikkelen van processen om koolstofdioxide uit de lucht met behulp van groene waterstof om te zetten in brandstoffen of grondstoffen voor plastics.

In samenwerking met het Britse bedrijf Johnson Matthey, dat autokatalysatoren maakt, gaan de wetenschappers nu verder verkennen hoe deze nieuwe vinding zijn weg kan vinden naar nieuwe producten.

Referentie

Valery Muravev, Alexander Parastaev, Yannis van den Bosch, Bianca Ligt, Nathalie Claes, Sara Bals, Nikolay Kosinov, Emiel J.M. Hensen, Size of ceria support nanocrystals dictates reactivity of highly-dispersed palladium catalysts, Science, (2023). DOI: 10.1126/science.adf9082.