Goudkatalyse heeft baat bij koolmonoxide

Leidse chemici ontdekten dat koolmonoxide een chemische reactie met goud als katalysator kan versterken. Verrassend, want koolmonoxide is een gif en verhindert katalysereacties, normaal gesproken. De onderzoekers publiceerden hun opvallende conclusie in de online-editie van het prestigieuze tijdschrift Nature Chemistry.

Goudkatalyse

Verrassend
‘Koolmonoxide is normaal gesproken een gif dat de werking van katalysatoren blokkeert. Maar het blijkt goud juist actiever te maken als katalysator.’ Een zeer verrassende conclusie, vindt Koper. Volgens Koper is het een nieuwe stap in het begrip van goud in zijn ongewone rol als katalysator. ‘Het toont aan dat veel van de bestaande regels die we hebben over katalyse van metalen, voor goud niet opgaan. Blijkbaar spelen bij goud subtiele interacties een rol die we normaal gesproken niet verwachten.’

Het goud hangt als een elektrode in het water. In deze configuratie kan specifiek een oppervlak van goud bestudeerd worden dat in contact is met water. (Omslag Nature Chemistry, foto Marc Koper)

Goud

Bij een katalysator denk je niet direct aan goud. Metalen als platina, iridium of palladium, die staan te boek als goede katalysator. Goud is een inert metaal, dus het reageert vrijwel niet met andere stoffen. Voor een katalysator, die reacties tussen stoffen moet bevorderen, klinkt dat uiterst onhandig. Toch zijn sinds een jaar of twintig reacties bekend, waarbij goud onder bepaalde omstandigheden als katalysator optreedt.

Koolmonoxide

Eén daarvan is de oxidatie van het giftige gas koolmonoxide, waarbij het overgaat in het onschadelijke kooldioxide. Goud katalyseert deze reactie in een waterige oplossing, waarbij het oplosmiddel basisch moet zijn, ofwel een hoge pH heeft. Meestal zijn dit stoffen die een OH-groep (een zuurstof- met een waterstofatoom) bevatten. De Leidse hoogleraar Marc Koper vond eerder dat tijdens deze katalysereactie het koolmonoxide vasthecht aan het goud.

Model

Die uitkomst bracht de groep van Koper op het idee dat bij deze reactie naast koolmonoxide óók OH-groepen uit de oplossing hechten aan het goud. ‘We bedachten het model dat koolmonoxide de adsorptie van OH-groepen aan het goudoppervlak bevordert’, zegt Koper. ‘Het zuurstof uit die OH-groepen wordt vervolgens gebruikt om koolmonoxide om te zetten naar kooldioxide.’ Met berekeningen kon Koper aantonen dat de twee stoffen elkaar inderdaad zo beïnvloeden.

Experiment met methanol

Maar als dát zo is, bedacht Koper, kunnen de aan goud geadsorbeerde OH-groepen wellicht ook andere stoffen – naast koolmonoxide – in de oplossing oxideren. Dit vermoeden heeft de groep nu getest met een aantal alcoholen. Van alcoholen is namelijk bekend dat goud ook hiervan de oxidatie kan katalyseren. En inderdaad, bij bijvoorbeeld methanol bleek de oxidatie veel beter te verlopen mét koolmonoxide, dan zonder.

Nieuwe experimenten

Het resultaat maakt de weg vrij naar tal van nieuwe experimenten. ‘Je kunt je afvragen of je bijvoorbeeld met stikstofoxide dezelfde resultaten krijgt’, speculeert Koper hardop. ‘Of misschien kunnen we naast oxidatiereacties ook reductiereacties op deze manier katalyseren. Dat willen we gaan proberen.’ Uiteindelijk zouden deze inzichten toepassing kunnen vinden in brandstofcellen, waar katalytische reacties een rol spelen.

Links

P. Rodriguez, Y. Kwon & M. Koper, , Nature Chemistry (online, 11 december 2011)

Marc Koper

Onderzoeksgroep Catalysis and Surface Chemistry

Nieuwsbericht ‘Drie van de vier NWO-TOP subsidies naar Leiden’ (mei 2011)

Studeren in Leiden

Bachelor
Molecular Science & Technology

Master
Chemistry

Webredactie Science - Published: 24 Jan 2012