Nieuwe katalysatoren maken zeer efficiënt gebruik van edelmetalen

Nanowetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben een nieuwe en veelbelovende manier bedacht om katalysatoren te maken waarin de hoeveelheid benodigde edelmetalen met een factor 10 is verlaagd. Die edelmetalen zijn schaars, maar essentieel in vele bestaande en toekomstige, meer duurzame chemische processen. De publicatie verschijnt op 8 juli in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Science.

Uitdaging om gebruik van edelmetalen te verlagen

Edelmetalen zoals platina worden veelvuldig gebruikt in de industrie en het dagelijks leven. De bekendste toepassing is momenteel in de uitlaatgaskatalysator van auto’s om de verbrandingsgassen van de motor schoon te maken. Maar juist ook in de toekomst zijn edelmetalen nodig om te komen tot een meer duurzame samenleving, voor bijvoorbeeld de productie en het verbruik van waterstof, een belangrijke energiedrager van de toekomst.

Onze nieuwe katalysator heeft nog maar een tiende van de hoeveelheid platina nodig zonder dat de prestaties worden aangetast.

Maar de hoeveelheid edelmetalen in de wereld is zeer beperkt en daarom is het een belangrijke uitdaging om de benodigde hoeveelheden te verlagen. PhD-onderzoeker Luc Smulders van het Debye Instituut voor Nanomaterialen Wetenschap aan de Universiteit Utrecht: “Van platina bedraagt de wereldvoorraad naar schatting 70.000 ton, dat is ongeveer 10 gram per wereldbewoner. Voor één brandstofcel in een auto, om vanuit waterstof elektrische stroom te maken voor de elektromotor, is al zo’n 10 gram platina nodig. Dit geeft een gevoel voor de noodzaak om platina zo effectief mogelijk te gebruiken.”

Platina met precisie aanbrengen op zeoliet

Samen met de voormalige collega-onderzoeker bij hetzelfde instituut Kang Cheng onderzocht Smulders, onder begeleiding van emeritus-hoogleraar Krijn de Jong, hoe platina in katalysatoren zo effectief mogelijk te gebruiken is. De Jong: “De katalysatoren in deze studie bevatten twee actieve functies, te weten een metaal - platina - en een zure functie – een zeoliet. Klassiek gebeurt het besparen van het edelmetaal door de platinadeeltjes zo klein mogelijk te maken. Zulke kleine deeltjes, ook wel nanodeeltjes genoemd, hebben een grotere verhouding van oppervlak per volume-eenheid.”

De Utrechtse scheikundigen hebben nu een heel andere weg gevolgd. Via speciale synthesetechnieken plaatsten zij de platinadeeltjes met precisie ten opzichte van ander actief materiaal dat in de katalysator aanwezig is. Smulders: “Veelal worden de nanodeeltjes in katalysatoren willekeurig over het materiaal verdeeld. Wij ontdekten dat de katalyserende werking van platina net zo goed is – en er veel minder van nodig is – als het alleen is aangebracht op het oppervlak van de zeolietkristallen, in plaats van binnenin of naast de zeoliet.”

Platina katalyseert net zo goed als het alleen is aangebracht op de zeolietkristallen, in plaats van er binnenin of ernaast.

Binnen twee jaar op industriële schaal

De Jong: “Daardoor is nog maar een tiende van de hoeveelheid platina nodig zonder dat de prestaties van de katalysator worden aangetast.” Het werk is dan ook een doorbraak om edelmetalen vele malen efficiënter in te zetten in katalysatoren, en mogelijk ook in andere toepassingen die essentieel zijn om te komen tot een meer duurzame samenleving. De onderzoekers verwachten dat het mogelijk is om de techniek in bestaande processen binnen één à twee jaar op industriële schaal te gaan inzetten.