Door luminescentie-thermometrie te combineren met heel precieze Ramanspectroscopie kun je katalytische reacties in veel groter detail bekijken, aldus een publicatie in Nature Catalysis.

Het Utrechtse drietal Thomas Hartman, Robin Geitenbeek en Gareth Whiting ontwikkelden deze techniek onder de leiding van Bert Weckhuysen aan het Debye Instituut voor Nanomaterialen Wetenschap. Het doel van het onderzoek was om tot een beter begrip te komen van hoe een katalysator werkt en zo betere katalysatoren te ontwikkelen. Ze combineerden de techniek shell-isolated nanoparticle-enhanced-Ramanspectroscopie (SHINERS) met luminescentie-thermometrie wat je in staat stelt om op het katalysatoroppervlak de lokale temperatuur en de geadsorbeerdemoleculen te detecteren.

Het proces dat de onderzoekers bekeken was het hydrogeneren van CO op een Rh/SiO­₂-katalysator naar koolwaterstoffen. Het systeem had een drager van SiO­₂ waarop zich verschillende nanodeeltjes bevonden, waaronder de rhodiumkatalysator, Au@Si­O₂ shell-isolated-nanodeeltjes (SHINs) en NaYF₄@SiO₂-temperatuurprobes (zie foto hieronder).

Met die probes en luminescentie-thermometrie keken ze naar de temperaturen tijdens de katalyse. Uit metingen bleek dat de lokale katalysatortemperatuur, afhankelijk van de H₂/CO-verhouding en -flow, soms wel tot 40 °C kan verschillen van de ingestelde temperatuur. Met die informatie heb je veel beter zicht op de daadwerkelijke reactiecondities en kun je ze gerichter bestuderen.

De hoge gevoeligheid van SHINERS gebruikten de auteurs om naar chemische intermediairen te kijken in het hydrogeneringsproces, waarbij de SHINs fungeren als nanosensoren. De verschillende golflengtes duidden op de unieke manieren hoe CO zich associeerde aan het katalysatoroppervlak. Zo zagen de onderzoekers een reeks adsorptievormen van zowel gedissocieerde, lineaire, gebrugde als gebogen CO-moleculen. Gebaseerd op deze gegevens maakten ze vervolgens een schatting over hoe het hydrogeneringsmechanisme er precies uit zag; de meest waarschijnlijke route gaat niet via de formylroute, maar via de dissociatie van CO en uiteindelijk de vorming van koolwaterstoffen.

Verder onderzochten ze of je SHINERS ook voor andere katalysatoren kunt toepassen, dus varieerden ze met de katalysatorsamenstelling. Zo bleek Rh/TiO­₂ CO veel beter om te zetten (184 µmol g_Rh^–1 s^–1 vergeleken met 5.3 voor Rh/SiO₂) en selectiever te zijn voor langere koolwaterstoffen. Het legeren van rhodium met steeds hogere percentages ijzer deed de hoeveelheid aan lineair geadsorbeerd CO stijgen, wat leidde tot een hogere selectiviteit voor zuurstofhoudende koolwaterstofverbindingen, zoals ethanol.

Deze twee technieken samen zorgden dus voor een veel completer beeld van het katalytische proces en de paper laat zien dat de combinatie breed toepasbaar is. Een volgende stap zou het toevoegen van spectroscopie in het ultraviolet-zichtbaar lichtspectrum kunnen zijn, zo opperen de Utrechters in hun conclusie.