Nieuws

Arrhenius achter een hekje

Arjen Dijkgraaf | vrijdag 6 november 2020

Om optimaal een reactie te katalyseren hoeven nanodeeltjes minder ver uit elkaar te liggen dan gedacht. Dat stelt Gadi Rothenberg, die samen met zijn groep aan de Universiteit van Amsterdam een elegante methode ontwikkelde om het experimenteel aan te tonen.

Het onderzoek draait om de vergelijking, waarin Svante Arrhenius eind 19e eeuw het verband ‛ving’ tussen reactiesnelheid en temperatuur. Die bevat twee variabelen: de activeringsenergie, die je met een katalysator omlaag probeert te brengen, en de ‛pre-exponentiële factor’ die de kans lijkt aan te geven dat reactanten tegen elkaar opbotsen. Die factor mist nog altijd een goede theoretische onderbouwing. Voor reacties in de gas- of vloeistoffase bestaan er modellen voor, maar die zijn te simpel voor reacties op een vast katalysatoroppervlak. Wat vooral mist, is het feit dat een molecuul rechtstreeks op een katalysatordeeltje kan landen maar ook ernaast, om vervolgens over het dragermateriaal verder te schuiven.

Om beide variabelen te bepalen, met een zogeheten Arrheniusplot, moet je de reactiesnelheid meten bij verschillende temperaturen. Die procedure is bewerkelijk maar vorig jaar presenteerde promovendus Thierry Slot in Angewandte Chemie de bouwbeschrijving voor een gasbellentellertje waarmee het snel en eenvoudig kan. Daar schreven we eerder ook al een artikel over. Voorwaarde is wel dat de reactie een gas produceert. Vandaar dat de hydrolyse van ammoniumboraan (NH3BH3), op platina-nanodeeltjes op een aluminiumoxidedrager, diende als modelreactie. Hierbij komt immers waterstof vrij.

In Chemical Science verscheen zojuist het vervolg. Rothenberg, Slot en masterstudent Nathan Riley bedachten hoe je als het ware een hekje rond zo’n platinadeeltje kunt zetten om moleculen tegen te houden, die verderop zijn geland. Je coat daartoe het deeltje met alkaanthiolen. Vervolgens coat je het aluminiumoxide met organofosfonaten; de alkaanthiolen houden daarbij rond elk deeltje een ‛bubbel’ vrij. Tot slot was je die thiolen weg. Bij elke stap hoort een Arrheniusplot met de bellenteller.

Ter verduidelijking liet Rothenberg er een filmpje van maken.

Het resultaat was verrassend. Alleen het kleinst mogelijke alkaanthiol, methaanthiol dus, blijkt de pre-exponentiële factor te verlagen. Zo’n ‛hekje’ laat een ruimte vrij waar ammoniumboraan maar net in past. Staat het iets verder weg, dan kun je het evengoed weglaten. De activeringsenergie blijft telkens constant en dat doet vermoeden dat in de pre-exponentiële factor het effect zit verpakt van het kunnen schuiven over de drager.

Het zou betekenen dat nanodeeltjes elkaar al niet meer beconcurreren als er maar een paar molecuuldiameters tussen zitten, wat vooral voor industriële toepassingen interessant kan zijn.

Slot, T. K. et al. (2020) Chemical Science.

KVCV

Lid worden van de KVCV? Ontdek de voordelen!

Logo KVCV

KVCV Facebook

De KVCV is ook op Facebook te vinden:

facebook

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van Mens & Molecule.

Meld je nu aan!