Wat palladiumatomen doen op een ceriumoxidedrager, blijkt sterk af te hangen van het formaat van de dragerdeeltjes. Het kan een nieuwe insteek zijn voor uitlaatgaskatalysatoren die óók efficiënt werken als de motor nog koud is, suggereren Eindhovense onderzoekers in Science.
Naar dat formaat als parameter is eerder nauwelijks gekeken. Ze wordt ook pas relevant wanneer die dragerdeeltjes nanodeeltjes zijn. Nu is het vaak nog een blok inert keramiek waar nanodeeltjes van een edelmetaal óp liggen om het eigenlijke katalytische werk te doen, zoals CO in uitlaatgassen oxideren tot CO2 en NOx reduceren tot elementaire stikstof.
Van zo’n nanodeeltje is alleen de buitenste schil katalytisch actief. Edelmetalen zijn echter peperduur en daarom wordt al langere tijd gezocht naar manieren om ze efficiënter in te zetten. Bijvoorbeeld door ze te dispergeren als losse atomen. Dat lukt niet rechtstreeks op keramiek: er moet een tweede dragermateriaal bij als tussenlaag. Ceria, CeO2, is een populaire keuze, onder meer omdat het toch al als zuurstofreservoir aan uitlaatkatalysatoren wordt toegevoegd.
Katalytische activiteit
Anders dan keramiek is ceria niet inert. Als er losse atomen op liggen, krijgt de onderlinge redoxchemie alle ruimte en vaak wordt de katalytische activiteit daar alleen maar beter van. In 2014 verwierf Emiel Hensen, hoogleraar anorganische materialen, een Vici-grant om dergelijke metal-support interactions te bestuderen. En dan was er nog een miljoenenbedrag uit de Zwaartekracht-pot van het Netherlands Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion, om te investeren in near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) waarmee je de chemie op zo’n oppervlak kunt volgen. ‛Om complexe katalytische vraagstukken op te lossen zijn geavanceerde instrumenten van dit kaliber onontbeerlijk’, aldus Hensen.
Belangrijk aandachtspunt is dat je de metaalatomen zo stevig op de drager moet verankeren dat ze onder reactiecondities niet geleidelijk naar elkaar toe schuiven en alsnog nanoklontjes vormen. Maar je wil ook niet dat die verankering de katalytische activiteit negatief beïnvloedt. Eerder assisteerde Hensen met ‛zijn’ NAP-XPS al eens twee Amerikaanse groepen die dit voor elkaar probeerden te krijgen. Zijn huidige publicatie gaat echter uit van een ander proces genaamd flame spray pyrolysis (FSP) dat een mengsel van edelmetaal en dragerbestanddelen laat uitkristalliseren in een vlam tot, jawel, nanodeeltjes.
Extra knop
FSP kun je redelijk goed sturen. Met HAADF-STEM (high-angle annular dark field - scanning transmission electron microscopy) konden Sara Bals en haar groep van de Universiteit Antwerpen bevestigen dat het octaëdrische kristallen oplevert met hoofdafmetingen van 4, 8 of 13 nm, naar keuze. Hensens groep stelde die kristallen, met een Pd-gehalte van één gewichtsprocent, vervolgens bloot aan mengsels van CO en O2. Met duidelijk verschillende resultaten: in een CO-rijk mengsel voelden vooral de 4 nm-kristallen zich thuis, zelfs bij relatief lage temperatuur, terwijl bij een lagere CO-concentratie de 8 nm-kristallen het beste presteerden. Hoe dat komt is nog niet helemaal duidelijk, maar lijkt iets te maken te hebben met de mobiliteit van zuurstofkernen op het grensvlak tussen Pd en CeO2.
‛Het geeft ons een nieuwe knop om aan te draaien’, zegt Hensen. ‛Dat is de conceptuele kant.’ Als mogelijke toepassing liggen uitlaatgaskatalysatoren volgens hem het meest voor de hand. In hun huidige vorm werken die pas goed als ze zijn opgewarmd. ‛Bijna alle CO en NO die in de EU nog door auto’s wordt uitgestoten, komt vrij na een koude start. Cumulatief is dat heel veel. En hybride auto’s, met motoren die telkens koud starten om de accu’s op te laden, maken het probleem alleen maar groter.’
Nog geen opmerkingen