Spinmanipulatie van een kobaltkatalysator voor omzetting van kooldioxide (afb: Liu Lin et al./eScience)

Scheikunde speelt een belangrijke rol in het ‘vergroenen’ van onze samenleving. Daarbij is katalyse een belangrijke factor. De reacties die allerlei systemen, zoals batterijen, aandrijven, kampen vaak met een trage kinetiek en energieverlies, vooral wanneer er meer elektronenover-drachten bij betrokken zijn. Eén kwantumeigen-schap, elektron-spin, is eigenlijk wat verwaarloosd bij het ontwerpen van katalysatoren, ondanks de fundamentele rol die die speelt bij het bepalen hoe atomen zich binden en reageren. Het zou steeds duidelijker zijn geworden dat dat een gemiste kans is. Het manipuleren van spintoestanden op katalysatoroppervlakken zou snellere, selectievere reacties mogelijk kunnen maken.
Liu Lin van de normale universiteit in Peking en collega’s hebben zich over de mogelijkheden van het opkomende vakgebied van spingereguleerde elektrokatalyse gebogen. In een artikel in eScience beschrijven ze recente doorbraken in onderzoek naar de rol van spintoestanden in katalytische processen.
Door zes belangrijke spinregulatiestrategieën te beschrijven – variërend van het afstemmen van de kristalstructuur tot het toepassen van magnetische velden – zou dit overzichtsartkel een uitgebreid raamwerk bieden voor het ontwerpen van katalysatoren die met grotere precisie en een beter rendement functioneren dan de huidige kats.

Elektronspin, een (voor mij=as) onbegrijpelijk begrip uit die (voor mij) onbegrijpelijke kwantummechanica, lijkt zijn intrede gedaan te hebben in de katalyse, de wetenschap van het versnellen van scheikundige reacties. De onderzoekers leggen uit hoe het manipuleren van spinconfiguraties – zoals het schakelen tussen hoge- en lage-spintoestanden – de binding van reactietussenproducten kan veranderen, het elektronentransport kan versnellen en energiebarrières kan verlagen (wat in feite de functie van katalysatoren is).
Belangrijke methoden om dit te bereiken zijn onder andere het toevoegen van ‘verontreinigingen’ aan de kristalstructuur van de kats, magnetische sturing en structuurverandering, die elk nauwkeurige controle mogelijk maken over hoe katalysatoren zich op atoomniveau gedragen. Geavanceerde diagnostische hulpmiddelen zoals Mössbauerspectroscopie en röntgenabsorptietechnieken stellen onderzoekers in staat om spingedrag in actie te observeren.

Effecten

Belangrijker nog, de ontwikkelde theorieën zouden zijn te vertalen in meetbare effecten. Zo verbetert de ‘vervuiling’ van RuO₂ (rutheniumdioxide) met mangaan de magnetische eigenschappen. Externe magneetvelden toegepast op kobaltgebaseerde katalysatoren verhogen de activering van zuurstofmoleculen in reacties. Deze bevindingen doen vermoeden dat het ontwerpen van spinactieve katalysatoren niet slechts een hersenspnsel is. Het is een praktische strategie die de energietechnologieën in de praktijk al verbetert, aldus Lin & Co.

Lin: “Elektronspin biedt een fundamenteel nieuwe mogelijkheid om katalytisch gedrag op atoomschaal af te stemmen. Door gebruik te maken van deze kwantumeigenschap kunnen we katalysatoren ontwerpen die efficiënter, selectiever en robuuster zijn. Deze aanpak is niet alleen een aanvulling op onze gereedschapskist, het verandert ook onze manier van denken over katalyse.”
De onderzoekers benadrukken dat de integratie van principes uit spintronica in elektrokatalyse grote doorbraken in energieomzetting kan bewerkstelligen. Dat zou een essentiële stap zijn op weg naar koolstofneutrale wereld.

De mogelijkheid om de elektronspin te controleren, kan verschillende sectoren binnen de energiesector een nieuwe vorm geven. Bij de productie van waterstof maken spingestuurde katalysatoren de daarvoor benodigde reacties efficiënter en kosteneffectiever. Bij het afvangen en benutten van koolstofdioxide bieden spingestuurde katalysatoren een verbeterde selectiviteit voor de omzetting van CO₂ in bruikbare brandstoffen of chemicaliën, aldus de onderzoekers.
Die zouden ook veelbelovend zijn voor de ontwikkeling van duurzame, hoogwaardige brandstofcellen. Naarmate de materiaalkunde zich verder ontwikkelt, zouden de spindynamiek en schaalbare productie van spinactieve katalysatoren binnenkort hoekstenen kunnen worden bij de ontwikkeling van de volgende generatie groene energiesystemen, stellen ze.

Bron: Alpha Galileo