Utrechtse katalysator gaat langer mee

Chemici van het Debye-Instituut zijn erin geslaagd nanodeeltjes in een katalysator optimaal van elkaar te scheiden. Hierdoor leeft deze vier keer langer.

“Van veel nieuwe katalysatoren die in Nature of Science staan, is nog maar de vraag hoe stabiel ze zijn. Ze maken bij de omzetting van biomassa of waterstof in chemicaliën of brandstoffen gebruik van metaaldeeltjes zoals koper, zilver of goud. Die klonteren vanwege hun lage smeltpunt snel samen waardoor de katalysator instabiel is. Wij beschrijven een recept om dit samenklonteren te voorkomen.”

Dit zegt onderzoekster Petra de Jongh van de vakgroep Anorganische Chemie en Katalyse. Deze week siert de publicatie van haar en haar postdoc Gonzalo Prieto, de website van Nature Materials. De Utrechtse katalysator blijkt wel vier keer zo lang mee te gaan. “Dat zou betekenen dat je in een faciliteit om methanol te maken in plaats van eens in de drie jaar bijvoorbeeld eens in tien jaar je katalysator hoeft te verversen. De chemische industrie is dan ook erg geïnteresseerd in ons recept.”

De Utrechters demonstreerden hun techniek bij een katalysator voor de omzetting van syngas in methanol. Dat is een veelbelovende chemische route om van waterstof, bijvoorbeeld geproduceerd met wind- of zonne-energie,  een vloeibare chemische grondstof of brandstof te maken. Om rendabele katalysatoren te krijgen voor zulke duurzame chemie moeten doorgaans edelmetaaldeeltjes van slechts een paar nanometer groot in korreltjes worden aangebracht.

Nanodeeltjes hebben echter van nature de neiging samen te klonteren en samen te vloeien tot grotere deeltjes. Dit komt doordat elk atoom het liefst diep weggeborgen in een kristal zit, in plaats van op de voorste rij aan het oppervlakte. Door samenklontering neemt de activiteit van de katalysator sterk af.

“Tot nu toe was de aandacht van katalysechemici vooral gericht op het krijgen van de optimale deeltjesgrootte”, vertelt De Jongh. “Bij chemische omzettingen gebruik je het liefst zo klein mogelijke deeltjes, maar die klonteren het makkelijkste samen. Wij pakken onze winst in het vergroten van de afstanden tussen de nanodeeltjes in de korreltjes. Hoe groter die afstand, hoe kleiner de kans dat de nanodeeltjes elkaar ontmoeten en dus hoe minder vaak ze zullen gaan samenklonteren.  Zo maken we de katalysator stabieler.”

De ontdekking van Prieto en De Jongh is gebaseerd op decennialang onderzoek in Utrecht naar de wijze waarop nanodeeltjes tijdens het maakproces in korreltjes groeien, neerslaan en zich nestelen. “In dit proces begin je met je dragerkorreltjes, een soort sponzen vol poriën, en een oplossing van metaalzouten.Vervolgens ga je hier het water en het zout uitdampen. De metalen nanodeeltjes blijven dan in de korreltjes achter. We hebben elke stap in het proces in detail bestudeerd en maken driedimensionale opnames van de metaaldeeltjes. Zo zijn we erachter gekomen dat in één stap koper eventjes als gas voorkomt en zich gelijkmatig verspreidt. Hiervan maken we handig gebruik om de afstand tussen de deeltjes op nanometerschaal te controleren.”

De stabiliteitswinst is volgens De Jongh met kleine aanpassingen in het maakproces te behalen. Een betere methanolkatalysator hoeft dus niet eens veel duurder te zijn. “Als je zo goedkoper methanol kunt maken, wordt het gebruik van duurzaam waterstof misschien aantrekkelijker. Maar we hopen vooral dat we nu nieuwe stabiele katalysatoren kunnen gaan maken voor de omzetting van biomassa of duurzaam waterstof in brandstoffen of andere chemische grondstoffen. Er zijn al heel wat veelbelovende kandidaten in wetenschappelijke publicaties beschreven. We verwachten dat we met nanodeeltjes van zilver of goud hetzelfde kunnen bereiken als met koper. Zo kan een scala aan duurzame omzettingsprocessen aantrekkelijker voor de industrie worden.”