Als je met platina-nanodeeltjes op ijzeroxide een oxidatie katalyseert, komt de zuurstof soms uit dat oxide. En niet uit de lucht, ontdekten onderzoekers van de Technische Universität Wien.

De onderzoekers, waaronder de Utrechtse masterstudente Jessi van der Hoeven die in Wenen een afstudeerproject deed onder leiding van Ulrike Diebold, zagen het gebeuren onder een scanning tunneling-microscoop (STM) en haalden daar terecht Angewandte Chemie mee.

Tot nu toe was de rol van dat metaaloxide onduidelijk. Het dient primair als drager, die zorgt dat je zo veel mogelijk profijt hebt van je dure platinadeeltjes - anders gaan ze klonteren. Maar hoewel die deeltjes op zich al behoorlijk katalytisch actief zijn, suggereerden eerdere experimenten dat het metaaloxide de werking nog eens extra versterkt. En katalyse op het grensvlak van twee vaste stoffen is op zich een veel voorkomend verschijnsel.

Wat je onder de STM ziet gebeuren is toch nog onverwacht: het platina katalyseert reacties van gas mét het ijzeroxide, die anders alleen bij veel hogere temperaturen zouden verlopen. Bij 550K versnelt het bijvoorbeeld de omzetting van CO in CO₂, waarbij vlak naast het platinadeeltje een zuurstofatoom uit het Fe₃O₄-rooster wordt weggevreten. IJzerionen hebben binnen dit oxide vrij veel bewegingsvrijheid, dus het ontstane overschot duikt dieper het rooster in en laat in het oppervlak een kuil achter.

Aan de rand van die kuil is dat rooster vervolgens minder stabiel zodat de volgende zuurstofkernen er, nog steeds met assistentie van platina, veel gemakkelijker aan kunnen worden onttrokken. Wat je ziet gebeuren is dat het platinadeeltje niet in de kuil valt maar juist de andere kant op beweegt, waarbij het een soort loopgraaf achterlaat.

Met H₂ in plaats van CO gebeurt iets anders. Het wordt door het platina in tweeën gesplitst, maar de twee H’s hebben daarna geen assistentie meer nodig om met de zuurstof uit Fe₃O₄ te reageren tot OH-groepen en uiteindelijk H₂O. De kuil krijgt zo een diameter die veel groter is dan die van het platinadeeltje, dat uiteindelijk wordt ondergraven en er dit keer wél middenin komt te liggen.

De onderzoekers vermoeden dan ook dat H₂ goed kan dienen als voorbehandeling voor dergelijke katalysatoren: de deeltjes kommen hun respectievelijke kuilen nooit meer uit en klonteren dus zéker niet.

Met O₂ gebeurt er wéér iets anders. Dat wordt eveneens gesplitst en dan aan het Fe₃O₄ toegevoegd, waardoor ook ijzer uit de diepere lagen van het materiaal wordt aangetrokken en je duidelijk zichtbare heuveltjes krijgt waar de platinadeeltjes bovenop liggen.

bron: Angewandte, TU Wien