2 juli 2015

Driedimensionale scans laten zien waarom katalysator werking verliest

Aluminiumklontjes saboteren ‘lopende band’ in katalysator

prof. Bert Weckhuysen met zijn koninklijke onderscheiding
Bert Weckhuysen

Zeolieten worden al tientallen jaren gebruikt als katalysator bij het verwerken van ruwe olie naar brandstof, maar tot voor kort was het nog grotendeels onbekend waaróm deze zeolieten zo’n goede katalysator zijn. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder prof.dr.ir. Bert Weckhuysen, hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse aan de Universiteit Utrecht, is een stap dichter gekomen bij het uitleggen van de werking van een zeolietkatalysator. De onderzoekers zijn erin geslaagd om met atomaire precisie te identificeren waar de relevante chemische reacties in een zeolietkristal plaatsvinden. Met deze kennis kunnen onderzoekers betere en langer bruikbare katalysatoren maken voor het produceren van brandstof en belangrijke chemische producten.

Het team maakte voor het eerst een driedimensionale scan van de aluminiumatomen in een zeoliet. Deze atomen, ook wel actieve sites genaamd, zorgen voor de werking van de katalysator. Als moleculen langs deze actieve sites door het zeoliet heen bewegen, zorgen de aluminiumatomen voor het uit elkaar trekken en herschikken van moleculen, als een soort lopende band in een fabriek. Door het ‘stomen’ van een zeolietkatalysator, een onderdeel van het syntheseproces, klonteren deze actieve sites bij elkaar. Net als werknemers die elkaar verdringen op één plek rondom een lopende band, zorgt dat voor een shutdown van de katalytische fabriek. Dat beschrijft het onderzoeksteam in een artikel dat deze week verschijnt in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Stomen

Het overgrote deel van de benzine ter wereld wordt geproduceerd met behulp van een conversieproces met zeolieten. Door zeolieten voor gebruik te ‘stomen’ – te behandelen met hitte en water – ontwaken de actieve sites in het zeoliet. Maar gek genoeg gaan de actieve sites juist kapot door het zeoliet te veel te stomen. Onderzoekers hadden al eerder het vermoeden dat te veel stoom ervoor zorgt dat aluminiumatomen zich te veel verplaatsen binnen het zeoliet, maar waren er nog niet in geslaagd een gedetailleerde ruimtelijke analyse van individuele aluminiumatomen uit te voeren.

Pulserende laser

Eerdere onderzoeken naar de structuur van zeolietmaterialen werden meestal gedaan met een elektronenmicroscoop. Maar daarmee is het lastig om het verschil te zien tussen aluminium- en siliciumatomen, omdat die ongeveer even zwaar zijn. Erger nog: de sterke elektronenstraal van het instrument kan het materiaal beschadigen, waardoor de zeolietstructuur al kapot is voordat je het goed hebt kunnen bekijken. Atom probe tomography bleek een uitkomst te bieden. Deze techniek werkt met een pulserende laser, die net genoeg energie bevat om een enkele atoom per keer van een sample af te schieten. Gevoelige time-of-flight massaspectrometers vangen die deeltjes op en analyseren ze met een snelheid van ongeveer 1000 atomen per seconde, waarbij ze aluminium en silicium wel van elkaar kunnen onderscheiden.

Atomaire kaart in drie dimensies

Door tientallen miljoenen atomen op die manier af te ‘pellen’ en nadien te ‘lezen’, hebben de onderzoekers een driedimensionale atomaire kaart gemaakt van een sample van ongeveer éénduizendste van de breedte van een menselijke haar. Na enkele mislukte pogingen, die resulteerden in het verdampen van de hele sample, slaagde het team erin om de juiste omstandigheden te vinden voor de analyse. Ze bekleedden hiervoor een zuiver sample met een flinterdun laagje metaal, om de geleiding te vergroten en het sample sterk genoeg te maken om de enorme belasting tijdens de analyse te doorstaan. Zo is het de onderzoekers uiteindelijk gelukt om een succesvolle scan te maken van het industrieel belangrijke zeolietmateriaal.

Publicatie

Determining the Location and Nearest Neighbors of Aluminum in Zeolites with Atom Probe Tomography
Daniel E. Perea, Ilke Arslan, Jia Liu, Zoran Ristanović*, Libor Kovarik, Bruce W. Arey, Johannes A. Lercher, Simon R. Bare en Bert M. Weckhuysen*
Nature Communications, 2015, 6, 7589, online gepubliceerd op 2 juli 2015.

* verbonden aan de Universiteit Utrecht

Meer informatie

  • Bert Weckhuysen, Debye Instituut voor Nanomaterialen, Faculteit Bètawetenschappen, 030-253 4328, B.M.Weckhuysen@uu.nl
  • Nieske Vergunst, persvoorlichter faculteit Bètawetenschappen, 06-2490 2801, N.L.Vergunst@uu.nl
  • B.g.g. perscommunicatie Universiteit Utrecht, 030-253 3550, news@uu.nl