Onder industriële omstandigheden ziet het (111)-oppervlak van een platinakatalysator er anders uit dan gedacht. Je krijgt geen dikke laag platinaoxide maar een decoratief patroon dat afhangt van de zuurstofdruk, melden Leidse onderzoekers in Nature Communications.

Matthijs van Spronsen (inmiddels Harvard), Joost Frenken (inmiddels ARCNL) en Irene Groot namen de patronen waar met de ReactorSTM, een eerder in Leiden ontwikkelde STM-rastertunnelmicroscoop waarmee je waarnemingen kunt doen bij drukken van een aantal bar en temperaturen van een paar honderd graden Celsius. Dat is maar iets minder extreem dan wat je tegenkomt in een industriële reactor of in de uitlaatkatalysator van een auto, en veel representatiever dan het hoogvacuüm waar traditionele STM-microscopen mee werken.

Daarbij is de resolutie hoog genoeg om atomen op het oppervlak te kunnen zien liggen, al worden het niet meer dan vage vlekjes en moet je (gericht) gokken wát er nu precies ligt.

Bij het hier gepresenteerde onderzoek is dat laatste wel duidelijk: het systeem bevat alleen maar zuurstof en platina, en de diameters van die twee verschillen voldoende om ze zonder moeite uit elkaar te kunnen houden. De onderlinge chemisch is ook een open deur: onder deze omstandigheden wordt platina door zuurstof geoxideerd, als essentieel onderdeel van de katalytische werking. Maar niemand wist of het hierbij blijft bij één laagje zuurstofatomen op het oppervlak of dat een dikkere laag platinaoxide ontstaat - en de volgende vraag is dan wát voor platinaoxide.

Eerder onderzoek met röntgendiffractie suggereerde een dikke laag α-PtO₂. Maar onder de ReactorSTM zie je iets heel anders. Bij 530 K en iets meer dan 1 bar zuurstof wordt alleen de bovenste laag platina-atomen gedeeltelijk geoxideerd. Je krijgt een soort spaakwielstructuur, opgebouwd uit driehoeken met zijden van acht platina-ionen. De bijbehorende zuurstofionen liggen er ongetwijfeld naast, maar zijn te klein om te zien. De onderlinge afstanden komen ongeveer overeen met die in een dikke laag α-PtO_2, wat zou kunnen betekenen dat de röntgenmetingen gewoon verkeerd zijn geïnterpreteerd.

Voer je de zuurstofdruk op tot 3,8 bar, dan worden meer platina-atomen geoxideerd. Uiteindelijk krijg je een streepjespatroon waarin rijen ionen en ongeoxideerde atomen elkaar afwisselen.

Voor beide patronen geldt dat ze instabiel zijn en een zuurstofatmosfeer boven zich moeten hebben om te blijven bestaan. En dát suggereert weer dat ze inderdaad de actieve zuurstof bevatten, die je verwacht op een katalysator die iets moet oxideren.

bron: Universiteit Leiden