Een Amerikaans-Nederlandse samenwerking heeft een uitlaatgaskatalysator opgeleverd die ook bij een koude start koolstofmonoxide efficiënt omzet in koolstofdioxide. Het geheim zit niet zozeer in de ingrediënten als in de bereidingswijze, valt te lezen in Nature Communications.

Volgens co-auteur Emiel Hensen (TU Eindhoven) heeft de industrie al interesse getoond en zou praktische toepassing wel eens tamelijk dichtbij kunnen zijn. Temeer daar katalysatoren die bij minder dan 150 °C minstens 90 % van een ongewenste uitlaatgascomponent omzetten, al een tijdje prominent op het verlanglijstje van het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE) staan.

Op zich is de oxidatie van CO tot CO₂ bij lage temperatuur wel te doen. Je kunt er bijvoorbeeld single atom catalysts (SAC’s) voor gebruiken waarbij atomen van een katalyserend metaal, zoals platina, los worden verspreid over een dragermateriaal. De uitdaging is echter om zo’n combinatie ook heel te houden wanneer de motor wél warm is. In de praktijk wordt de veroudering van zo’n kat gesimuleerd bij temperaturen die oplopen tot 800 °C (voor een verbrandingsmotor nogal overdreven!) en dan hebben de atomen op zo’n SAC sterk de neiging te gaan klonteren.

In 2016 meldden Hensens Amerikaanse co-auteurs in Science dat platina-atomen op een ceriumoxide-oppervlak wél op hun plek blijven zitten bij zulke temperaturen. Dat komt doordat ze min of meer in het CeO₂-rooster worden ingebouwd. Er zit echter een nadeeltje aan: in de praktijk veranderen die atomen daarbij in Pt²⁺-ionen en in die vorm katalyseren ze de oxidatie van CO alleen nog bij hogere temperaturen.

De huidige publicatie biedt een recept dat wél werkt bij temperaturen vanaf 50 °C, en laat tegelijk zien dat het complete verhaal veel ingewikkelder is. Het CeO₂ is namelijk niet inert maar speelt een hoofdrol door tijdelijk zuurstof uit te lenen voor de CO-oxidatie. Dat gaat makkelijker als hier en daar Pt²⁺-ionen in het CeO₂-oppervlak verwerkt zitten. En dat betekent weer dat je zowel Pt²⁺ nodig hebt als ongeladen platina-atomen of -nanodeeltjes op dat oppervlak.

De kunst blijkt vervolgens te zijn om eerst de interactie tussen die ionen en het CeO₂ zo innig mogelijk te maken. Dat kan door een platinaverbinding in de dampfase te laten reageren met het oppervlak, bij 800 °C. Het resultaat activeer je door het met CO te laten reageren bij 275 °C, dus ruim boven de gewenste werktemperatuur. Een klein deel van de Pt²⁺ (de rode bolletjes in de afbeelding) wordt dan gereduceerd tot metallisch platina (de groene), dat loskomt uit het oppervlak en in kleine aantallen samenklontert in de vorm van nanodeeltjes van 1,4 nm diameter - groter dan dat lijken ze niet te kunnen worden. En die nanodeeltjes katalyseren uiteindelijk CO-oxidatie terwijl de resterende Pt²⁺-ionen in het ceriumoxide de aanvoer van voldoende zuurstof garanderen.

Wanneer je het platina in de vloeistoffase aanbrengt, bij 300 °C, lijk je uiteindelijk precies dezelfde nanodeeltjes te krijgen. Toch is de katalytische activiteit bij lage temperatuur dan veel minder, wat suggereert dat de 800 °C uit het recept essentieel is om de ceriumoxidestructuur overhoop te gooien en Pt²⁺ er letterlijk in te bakken. Na een verouderingsproef waarbij de temperatuur gedurende acht uur op 450 °C werd gehouden, waren ze er nog steeds niet allemaal uit.

Bij dit alles beperkte de rol van de TU Eindhoven zich voornamelijk tot het doen van metingen met near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS), een techniek waarmee je onder realistische omstandigheden kunt volgen welke atomen en ionen precies aanwezig zijn op het katalysatoroppervlak. Dat was wel nodig ook: tussen de regels door valt te lezen dat binnen dit onderzoeksveld heel veel ruis is ontstaan doordat eerdere onderzoekers niet precies snapten wat ze maten en zo tot aannames kwamen die achteraf rammelen als een auto van voor het katalysator-tijdperk.

bron: TU/e