Selectieve katalytische reductie van NOx in uitlaatgassen werkt anders dan gedacht. Je kunt je serieus afvragen of je het nu heterogene of homogene katalyse moet noemen, blijkt uit een Science-publicatie.

Bij die zogeheten SCR spuit je een ureumoplossing (beter bekend als AdBlue) in de uitlaat. Het ureum vormt ter plekke ammoniak dat met NOx en zuurstof reageert tot stikstof en water. De reactie wordt gekatalyseerd door Cu²⁺-ionen die je inbouwt in een zeolietstructuur die bekend staat als chabaziet.

Tot zover lijkt het heterogene katalyse, het koper zit immers vast aan het oppervlak. Maar eerder werd al ontdekt dat ammoniakmoleculen werken als een soort oplosmiddel: ze weken Cu²⁺ los van het oppervlak, en dat blijkt een voorwaarde voor het katalytische effect. Als onderdeel daarvan wordt Cu²⁺ tijdelijk tot Cu⁺ gereduceerd.

En met XANES-röntgenabsorptiespectrometrie hebben Bill Schneider, Rajamani Gounder en collega’s van Purdue University en de University of Notre Dame nu vastgesteld dat Cu⁺ niet alleen los komt, maar tevens door de zeolietstructuur beweegt. Voor de SCR-reactie zijn namelijk twéé [Cu(NH₃)₂]⁺-ionen nodig, die aan weerszijden van een O₂-molecuul moeten gaan zitten om het te activeren (waarbij de Cu⁺-ionen weer in Cu²⁺ veranderen). Om dat te bereiken moeten de ionen wel van hun plek komen.

Je kunt daarbij berekenen dat de actieradius van zo’n [Cu(NH₃)₂]⁺-ion beperkt is. Het wordt tegengehouden door elektrostatische interacties met aluminiumionen in de zeolietstructuur. Homogene katalyse is het dus officieel ook niet, want daarvoor geldt dat de katalysator helemaal vrij moet kunnen rondzwemmen.

Het maakt een hoop duidelijk over het op het eerste gezicht nogal vreemde verband tussen de SCR-reactiekinetiek, de zeolietstructuur en de hoeveelheid koperionen die je er in stopt.

Volgens de auteurs is nu ook duidelijk wáár je aan moet sleutelen om de werking van dergelijke katalysatoren te verbeteren. ‘Manipulating these variables could open approaches to catalyst design for a wide variety of reactions by combining knowledge from homogeneous and heterogeneous catalysis’, zo besluiten ze.

Dat kunnen beide specialismes, die normaal gesproken vrij weinig van elkaar moeten hebben, dus in hun zak steken.

bron: Purdue, Science