Alcoholen selectief omzetten in ketonen op een ‘actieve donut’ kan nu ook in theorie. UvA-onderzoekers hebben een fundament weten te leggen onder hun experimenten van twee jaar geleden, schrijven ze in ChemCatChem.

Indertijd experimenteerden Thierry Slot, toen nog masterstudent, en zijn begeleider Gadi Rothenberg met stikstofgedoteerde koolstof waarop hier en daar een heuveltje zat van een goedkoop overgangsmetaaloxide. Dat laatste adsorbeert alcoholen, het koolstofoppervlak activeert O₂-moleculen. Als beide fenomenen vlak naast elkaar optreden kunnen alcohol en geactiveerde zuurstof met elkaar reageren tot een keton en water. De ring rond het heuveltje waarbinnen dit mogelijk is, noemen ze in Amsterdam de active doughnut.

Het was een kwestie van intuïtie. Met gedoteerde koolstof als platinavervangende katalysator was Rothenbergs groep al langer bezig, die metaaloxideheuveltjes waren er vrij eenvoudig op te leggen, en het werkte nog ook.

Slot, inmiddels promovendus, presenteert nu een theoretische onderbouwing van cascadereacties waarbij reactie-intermediairen overspringen van een katalytisch actief oppervlak naar een katalytisch actief deeltje dat daar op ligt. Om te beginnen kun je daarbij beredeneren dat het beschikbare oppervlak deels onbenut blijft als de deeltjes te ver uit elkaar liggen. Zelf blijven de deeltjes deels onbenut als ze te groot zijn en de top te ver van de rand ligt.

Een ander punt is dat de relatie tussen reactiesnelheid en deeltjesdiameter lineair is, zolang de donut er omheen ligt en een gedeelte ongebruikt laat. Wordt het deeltje zo klein dat het hele oppervlak wordt bedekt door een donut die eigenlijk geen donut meer is maar een halve bol, dan krijg je een kwadratisch verband.

Kun je dus bepalen bij welke deeltjesdiameter je een omslag van een lineair naar een kwadratisch verband krijgt, dan weet je hoe dik de donut is bij de reactie in kwestie. Daar volgt weer een optimale afstand tussen de deeltjes uit, en de optimale diameter. En het mooie is dat je daarvoor niet hoeft te weten hoe de reactie precies werkt, en dus ook niet welke intermediairen precies de sprong van oppervlak naar deeltje maken. Dat komt goed uit want die intermediairen bestaan meestal zo kort dat ze niet of nauwelijks zijn te identificeren.

Slot heeft het concept getoetst aan vijf publicaties van andere groepen waarin sprake was van actieve deeltjes op een actief oppervlak. Het lijkt er op dat de redenering klopt en dat je de donutbenadering dus inderdaad als ‘tool’ kunt gebruiken bij het katalysatorontwerp. En lang niet alléén bij de omzetting van alcoholen.

bron: UvA, ChemCatChem